Что такое гармоники тока и напряжения: Гармоники в электрических сетях: причины, источники, способы защиты

Содержание

Гармоники в электрических сетях: причины, источники, способы защиты

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине.

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные.

 То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие.

Гармоники и их сложение

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник.

Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

  • Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
  • Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
  • Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания,

все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

  • по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
  • по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
  • по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети.  Из которых особо следует выделить:

  • Сопутствующий нагрев, выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и.т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
  • Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
  • Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
  • Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
  • Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
  • Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
  • Потребность увеличения сечения нулевых проводов
    в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Рис. 2. Развитие тока в нейтрали

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник.

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Рис. 3. Схема  LC-фильтра

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке R

Н.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров,  их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Шунтирующий фильтр

За счет того, что каждая цепочка  L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Рис. 5 Принцип действия активного кондиционера гармоник

Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток ips, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая in. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов iahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.

Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.

Список использованной литературы

  • Арриллага Дж., Брэдли Д., Боджер П. «Гармоники в электрических системах» 1990
  • Бржезицкий В.А., Найдовский А. В., Бутов С. В. «О влиянии высших гармонических составляющих напряжения на характеристики измерительных трансформаторов» 1983
  • Волков А.И., Макарова ТМ., Полевая В.П., Рыжов ЮМ., Федченко В.Г. «О влиянии долевого участия выпрямительной нагрузки на гармонический состав напряжения автономной системы» 1974
  • Жаркий А.Ф., Каплычный Н.Н. «Анализ высших гармоник в низковольтных сетях с помощью традиционных моделей» 2001
  • Шидловский А.К., Драбович Ю.И., Комаров Н.С., Москаленко ГА., Козлов А.В. «Анализ гармонического состава потребляемого тока преобразователя переменного напряжения в постоянное с улучшенной электромагнитной совместимостью»  1987

Обнаружение и устранение гармоник | Руководство по устройству электроустановок | Оборудование

Страница 62 из 77

1 Проблема: Зачем нужно обнаруживать и устранять гармоники?
Возмущения, вызываемые гармониками
Гармоники, протекающие по распределительным сетям, вызывают снижение качества электрической энергии, что может иметь ряд негативных последствий:
перегрузки в распределительных сетях из-за увеличения действующего значения тока
перегрузки в нулевых (нейтральных) проводниках из-за суммирования токов высших гармоник, кратных трем, которые генерируются однофазными нагрузками
перегрузки, вибрация и преждевременное старение генераторов, трансформаторов и электродвигателей, а также повышенный шум трансформаторов
перегрузки и преждевременное старение конденсаторов для повышения коэффициента мощности
искажение формы питающего напряжения, которое может повлиять на «чувствительные» нагрузки
помехи в сетях связи и телефонных линиях Экономические последствия гармонических возмущений
Гармоники имеют значительные экономические последствия:
преждевременное старение оборудования означает необходимость его замены раньше запланированного срока, если в нем с самого начала не был предусмотрен запас мощности
перегрузки в распределительной сети могут привести к более высоким уровням потребления энергии и увеличению потерь
Искажение формы кривой тока способно вызывать ложное срабатывание автоматических выключателей, что может приводить к остановке производственного процесса.
Нарастание степени серьезности последствий
Всего десять лет назад гармоники еще не считались реальной проблемой, поскольку их влияние на распределительные сети было в целом незначительным. Однако массовое внедрение силовой электроники в различные виды оборудования привело к тому, что наличие гармоник стало серьезно сказываться во всех секторах экономической деятельности. Кроме того, оборудование, порождающее такие гармоники, часто является критически важным для компании или организации.
Какие гармоники нужно измерять и устранять?
Чаще всего в трехфазных распределительных сетях встречаются гармоники нечётного порядка. С увеличением частоты амплитуды гармоник обычно снижаются. Гармоники выше 50-ого порядка имеют незначительную амплитуду, и дальнейшие измерения не имеют смысла. Достаточно точные результаты измерений получаются при измерении гармоник до 30-ого порядка. Энергоснабжающие компании контролируют содержание 3-ей, 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник в питающих сетях. В целом, достаточным является устранение гармоник низших порядков (до 13- ого). При более тщательном контроле учитываются гармоники до 25-ой включительно.

2 Стандарты
Вопросы гармонических искажений в электрических сетях регламентируются различными стандартами и нормами:
стандартами обеспечения совместимости распределительных сетей
нормативными требованиями к оборудованию, порождающему гармоники
рекомендациями энергоснабжающих компаний, применимыми к электроустановкам
В настоящее время действует тройная система стандартов и норм, направленная на быстрое ослабление влияния гармоник и основанная на перечисленных ниже документах.
Стандарты, регламентирующие совместимость распределительных сетей и изделий:
Эти стандарты устанавливают необходимую совместимость распределительных сетей и электрооборудование:
гармоники, порождаемые каким-либо устройством, не должны создавать в распределительной сети возмущений выше определенного уровня
каждое устройство должно сохранять работоспособность при наличии в питающей сети возмущений определенного уровня
стандарт IEC 61000-2-2 для низковольтных систем энергоснабжения общего применения
стандарт IEC 61000-2-4 для промышленных электроустановок низкого и среднего напряжения
Стандарты, регламентирующие качество электрической энергии, обеспечиваемой распределительными сетями
стандарт EN 50160 устанавливает характеристики электроэнергии, подаваемой распределительными сетями общего назначения
стандарт IEEE 519 представляет общий подход энергоснабжающих компаний и потребителей к ограничению влияния нелинейных нагрузок. Энергоснабжающие компании стимулируют принятие превентивных мер, призванных повысить качество электроэнергии, снизить рост температуры и уменьшить влияние на коэффициенты мощности. Они намерены в будущем штрафовать потребителей, являющихся основными источниками гармоник в питающей сети.
Стандарты, устанавливающие требования к оборудованию
стандарт IEC 61000-3-2 или EN 61000-3-2 для низковольтного оборудования с номинальным током менее 16 А
стандарт IEC 61000-3-12 или EN 61000-3-4 для низковольтного оборудования с номинальным током более 16 А и менее 75 А
Максимально допустимые уровни гармоник
Проведенные международные исследования позволили собрать данные и оценить типичное содержание гармоник в распределительных электрических сетях. В таблице на рис. L1 представлены уровни, которые, по мнению большинства энергоснабжающих компаний, не должны превышаться.


Нечетные гармоники

 

 

Нечетные гармоники,

 

Четные гармоники

 

 

некратные трем

 

 

кратные трем

 

 

 

 

 

 

Порядок

НН

СН

СВН

Порядок

НН

СН

СВН

Порядок

НН

СН

СВН

гармоники,

 

 

 

гармоники,

 

 

 

гармоники,

 

 

 

h

 

 

 

h

 

 

 

h

 

 

 

5

6

6

2

3

5

2. 5

1.5

2

2

1.5

1.5

7

5

5

2

9

1.5

1.5

1

4

1

1

1

11

3.5

3.5

1.5

15

0.3

0.3

0.3

6

0. 5

0.5

0.5

13

3

3

1.5

21

0.2

0.2

0.2

8

0.5

0.2

0.2

17

2

2

1

> 21

0.2

0.2

0.2

10

0.5

0.2

0. 2

19

1.5

1.5

1

 

 

 

 

12

0.2

0.2

0.2

23

1.5

1

0.7

 

 

 

 

> 12

0.2

0.2

0.2

25

1.5

1

0.7

 

 

 

 

 

 

 

 

> 25

0.2
+ 25/h

0.2
+ 25/h

0.1
+ 25/h

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. L . Максимально допустимые уровни гармоник

3 Общие положения
Присутствие гармоник говорит об искаженной форме тока или напряжения. Искажение же формы тока или напряжения означает наличие возмущений в распределительной сети и ухудшение качества поставляемой электроэнергии.
Источниками гармоник токов являются нелинейные нагрузки, подсоединенные к распределительной сети. Протекание гармоник токов по сети, имеющей некоторое полное сопротивление, приводит к появлению гармоник напряжений и соответственно к искажению формы питающего напряжения.
Происхождение гармоник
Устройства и системы, порождающие гармоники, имеются во всех секторах экономики, т.е. в промышленности, коммерческом секторе и жилищном хозяйстве. Гармоники порождаются нелинейными нагрузками, т.е. нагрузками, потребляющими ток с формой волны, отличающейся от формы волны питающего напряжения. Примеры нелинейных нагрузок:
промышленное оборудование (сварочные машины, электродуговые печи, индукционные печи, и выпрямители)
приводы с регулируемой скоростью с асинхронными двигателями или двигателями постоянного тока
источники бесперебойного питания
офисное оборудование (компьютеры, фотокопировальные машины, факсимильные аппараты, и
др.)
бытовые электроприборы (телевизоры, микроволновые печи, люминесцентные лампы)
некоторые приборы с магнитным насыщением (трансформаторы)
Возмущения, создаваемые нелинейными нагрузками: гармоники тока и напряжения
Нелинейные нагрузки потребляют токи гармоник, которые поступают в распределительную сеть. Гармоники напряжения вызываются протеканием токов гармоник по сопротивлениям питающих цепей (по трансформатору и распределительной сети для случаев аналогичных тому, который показан на рис. L2).

Рис. L Однолинейная схема, показывающая сопротивление питающей цепи для гармоники h-ого порядка
Реактивное сопротивление проводника возрастает с увеличением частоты тока, протекающего по этому проводнику. Поэтому для каждой гармоники тока (h-ого порядка) в цепи питания существует некоторое полное сопротивление Zh.
Когда по сопротивлению Zh протекает ток гармоники h-ого порядка, то по закону Ома он создает напряжение гармоники Uh = Zh x Ih. В результате этого форма напряжения в точке B искажается и отличается от синусоидальной. Все нагрузки, питающиеся через точку B, получают напряжение искаженной формы.
Для тока данной гармоники, это искажение пропорционально сопротивлению распределительной сети.
Протекание несинусоидальных токов в распределительных сетях
Можно считать, что нелинейные нагрузки генерируют токи высших гармоник в распределительную сеть в направлении источника питания.
На рис. L3 и L4 показана схема электроустановки, «загрязненной» гармониками. В схеме, изображенной на рис. L3, протекает ток частотой 50 Гц, а на рис. L4 — ток частотой гармоники h- ого порядка.

Рис. L Схема электроустановки, питающей нелинейную нагрузку, в которой протекает только ток основной частоты 50 Гц

Рис. L4. Схема той же электроустановки, в которой протекает только ток h-ной гармоники
При питании нелинейной нагрузки возникает ток частотой 50 Гц (как показано на рис. L3), к которому добавляются токи Ih (рис. L4), соответствующие каждой h-ной гармонике. По-прежнему считая, что нагрузки генерируют токи высших гармоник в распределительную сеть в направлении источника питания, можно построить схему протекания токов разных гармоник в этой сети (рис. L5).

Примечание: Хотя на данной схеме определенные нагрузки генерируют токи гармоник в распределительную сеть, другие нагрузки могут поглощать такие токи
Рис. L5. Протекание токов гармоник в распределительной сети
Основные экономические последствия гармоник для электроустановок:
повышенный расход энергии
преждевременное старение оборудования
производственные убытки

Нормы качества электрической энергии. Гармоники тока.

В большинстве случаев люди предпочитают делать упор на качество. Часто высокое качество заметно при внешнем осмотре какого-либо предмета или объекта. Качество можно заметить при длительной эксплуатации чего-либо. Для контроля качества создаются комиссии. Однако качество есть и у вещей, которые нельзя увидеть. Поговорим о качестве электроэнергии в целом и о некоторых его особенностях в частности.

Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения регулируются ГОСТ 13109-97. В нем перечислены основные требования, предъявляемые к качеству электрической энергии.

Эти требования приведены ниже:

-отклонение значения основной частоты напряжения электропитания от номинального значения, Гц;

-колебания напряжения и фликер, %;

-медленные изменения напряжения, %;

-несимметрия напряжений в трехфазных системах, %;

-несинусоидальность напряжения, %.

 

Подробно остановимся на последнем критерии. Как известно, теоретически напряжение на клеммах источника питания является синусоидальной функцией от времени, то есть, скажем, на осциллографе, подключенном к бытовой сети, теоретически должна получиться синусоида. Но в век стремительного роста научно-технического прогресса и, как следствие, нарастания вычислительных мощностей, форма кривой напряжения изменяется по мере удаления от источника питания к приемнику, создающему искажения напряжения. Это происходит из-за влияния нелинейной нагрузки – нагрузки, сопротивление которой меняется в зависимости от приложенного напряжения или протекающего через нее тока. К нелинейной нагрузке относятся выпрямительные и инверторные установки, дуговые печи, источники бесперебойного питания (ИБП или UPS), устройства плавного пуска – все электрооборудование, содержащее силовую (сильноточную) электронику: диоды, тиристоры, транзисторы. Благодаря математическому анализу инженеры в области электротехники нашли способ разложения искаженной синусоиды напряжения: оказывается, любую искаженную синусоиду можно представить как сумму графиков различных «чистых» синусоид. Посмотрим на рисунок ниже — осцилограмму напряжения между одной из фаз и нулем.

Здесь синим показана «идеальная» синусоида величиной 220 В и частотой 50 Гц, значение 220 В принято за единицу. Это и есть первая — основная — гармоника. К такой форме напряжения стремятся предприятия по производству электроэнергии. На среднеквадратичное значение напряжения именно такой формы спроектированы электрические аппараты. И при таком напряжении в трёх фазах сети при симметричной нагрузке ток через нулевой проводник протекать не будет.

Зелёным изображено напряжение, искаженное нелинейной нагрузкой. Приближенно такую форму напряжения можно получить на осциллографе или анализаторе электрической сети, подключив их к выпрямителю без сглаживающего фильтра. Как видно, его величина выше напряжения основной гармоники, то есть выше 220 В. Этот искаженный сигнал можно разложить на основную и пятую (показанную голубым цветом) гармонику.

Из осцилограммы также видно, что величина пятой гармоники намного ниже 220 В, а ее частота в 250 Гц кратна основной частоте в 50 Гц. Сложив графики пятой и основной гармоник, получим кривую напряжения на клеммах электроприемника, обозначенную зелёным. Любой искаженный сигнал можно получить, используя основную гармонику и гармоники высших порядков (третьи, седьмые, девятые и т. д.). Определившись с понятиями, перейдем к практической стороне вопроса: чем чревато наличие высших гармоник и как с ними бороться.

Наличие нелинейных потребителей может приводить к:

— ложному срабатыванию защиты;

— перегреву нулевого провода или постоянному наличию напряжения на нем;

— некорректной работе измерительных приборов,

— повышению или понижению напряжения в распределительной сети;

— повышению тока вследствие резонанса.

Ток в нулевом проводнике при наличии высших гармоник может протекать даже при симметричной загрузке трех фаз. К особенно нежелательным эффектам может приводить использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности. В электротехнике существует понятие резонанс токов – значительное увеличение тока, протекающего по сети, в результате равенства индуктивного и ёмкостного сопротивлений, которые зависят от частоты. Рассмотрим пример.

В одном большом офисном здании из-за перегрева конденсаторов произошло отключение автоматических установок компенсации реактивной мощности, подключенных к той же шине 0,4 кв, что и ИБП компьютерного оборудования. Для выяснения причины аварии были сделаны измерения уровня гармоник. Исследования показали, что возник резонанс на 11-й гармонике, генерируемой ИБП, с увеличением ее тока с 30 А при отключенной конденсаторной установке до 283 А при полностью включенной. После анализа проблемы и компьютерного моделирования было решено использовать фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ) — особый тип конденсаторных установок, не только компенсирующий реактивную мощность, но и фильтрующий высшие гармоники.

Мы плавно подошли к методам борьбы с высшими гармониками, к которым можно отнести следующее:

-применение специальных схем соединения обмоток электрических машин, не пропускающих гармоники определённых порядков;

-применение ФКУ: активных и пассивных фильтров гармоник;

-обеспечение симметричного режима работы трёхфазных систем;

-снижение полного сопротивления распредсети;

-применение 12-полупериодных выпрямителей в ИБП.

Однако следует помнить, что не существует единого уникального решения для повышения качества электроэнергии, потому что в условиях каждого конкретного предприятия причины возникновения гармоник и возможные методы борьбы с ними различаются.

 

Понравилась статья, поделись в социальных сетях, получи + к карме от ТМР силы!

 

Важно? Поделись:

 

Высшие гармоники тока и высшие гармоники напряжения.

Большинство статических преобразователей обладают свойствами, близкими к свойствам источников тока. Значения гармонических составляющих потребляемого ими тока очень слабо зависят от сопротивления цепи, по которой они протекают. Можно считать, что степень влияния разных высших гармоник тока статических преобразователей на величину высших гармонических составляющих напряжения сети пропорциональна эквивалентным значениям сопротивления сети для этих гармоник. При этом эквивалентное сопротивление сети должно определяться с учетом параметров всех элементов сети как на стороне источников питания (генераторов, трансформаторов, воздушных и кабельных линий), так и на стороне потребителей (двигателей, трансформаторов, конденсаторных батарей и др.).

Полное эквивалентное сопротивление питающей сети (ZЭс) состоит из активной (RЭс) и реактивной (XЭс) составляющих, значения которых в разных точках разветвлённой электрической сети могут сильно отличаться.

Соотношение между значениями напряжения (U(n)) и тока (I(n)) гармоники n-го «порядка» определяется полным эквивалентным сопротивлением питающей сети (ZЭс(n)) на частоте этой гармоники:

С ростом частоты гармоник обе составляющие эквивалентного сопротивления (RЭс(n) и XЭс(n)) значительно изменяются и соотношения между значениями гармоник тока разных «порядков» и между значениями гармоник напряжения тех же «порядков» сильно различаются.

Обычно реактивная составляющая сопротивления (U(n)) имеет индуктивный характер и увеличивается пропорционально частоте, а активная составляющая вследствие поверхностного эффекта возрастает пропорционально частоте в степени менее 0,5. Вследствие значительного преобладания реактивной составляющей сопротивления величиной активной составляющей при выполнении многих расчётов часто пренебрегают.

При наличии в сети конденсаторных батарей зависимость значения реактивной составляющей XЭс(n) от частоты может сильно измениться и принять весьма сложный характер, причём для одной группы гармоник эта составляющая может быть индуктивного типа, а для другой группы — ёмкостного. Соответственно этому изменяется и принимает более сложный характер зависимость величины гармоник напряжения от частоты.

Отправить запрос.

Анализ зависимостей высших гармоник тока и напряжения с помощью традиционных моделей

Страница 9 из 29

Рассмотрим несколько режимов, каждый из которых определяется конкретными схемой соединения обмоток трансформатора, исполнением линии, загрузкой трансформатора и т.д. Для каждого из рассматриваемых режимов изменяется спектр высших гармоник тока и соответствующий ему спектр высших гармоник напряжения. Кроме того, изменяется эквивалентное сопротивление сети для n-й гармоники Z(n), которая определяется сопротивлениями конкретных элементов сети. Очевидно, что в сетях НН точно определить значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения КU, не зная значения гармоник тока, генерируемых конкретной нелинейной нагрузкой в конкретном режиме, не представляется возможным.
В работе [40] рассмотрено, как изменяются высшие гармоники при изменении схемы соединения обмоток трансформатора. Если мы рассчитаем с помощью точной модели значения КU для сети НН с трансформатором, обмотки которого соединены по схеме звезда—зигзаг с нулем, то увидим, что они будут соответствовать верхней кривой (расчет), показанной на рис. 2.14. Известно, что при соединении обмоток по такой схеме сопротивление нулевой последовательности трансформатора Ζτ на порядок меньше соответствующего сопротивления при соединении обмоток по схеме звезда—звезда с нулем. В результате уменьшается значение Z(n=3k) для данного режима. Если мы используем выражения (2.9) и (2.10) для определения напряжений высших гармоник, подставляя известные значения I(n), посчитанные для
сети НН с трансформатором, обмотки которого соединены по схеме звезда—звезда с нулем, и вновь рассчитанные значения Z(n), то получаем значения ΚU, зависимость которых от а показана на рис. 2.14 кривой 2 (предположение).
Из рисунка видно, что расчетные значения ΚU превышают предполагаемые в 1,6—1,8 раза. Это вызвано возросшей амплитудой токов высших гармоник (особенно кратных трем) при использовании трансформатора со схемой соединения обмоток звезда-зигзаг с нулем.

Рис. 2.14. Уменьшение значения Κ в случае неправильного учета изменения схемы соединения обмоток трансформатора: 1— расчет; 2— предположение
Рис. 2.15. Уменьшение значения Κ в случае неправильного учета изменения коэффициента загрузки трансформатора: 1 — расчет; 2 — предположение

Таким образом, применение традиционных моделей для определения напряжений высших гармоник в сети НН с трансформатором, обмотки которого соединены по этой схеме, на основании имеющейся информации о значении высших гармоник тока, генерируемых данной нелинейной нагрузкой в случае использования трансформатора со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем, приводит к неверным результатам. При этом амплитудные значения и фазы напряжений отдельных гармоник значительно отличаются от рассчитанных с помощью точной модели.
Проанализируем возможность использования выражений (2.9) и (2.10) для определения напряжений высших гармоник при разных значениях коэффициента загрузки трансформатора β. На рис. 2.15 показаны зависимости Κ от а при β = 0,8 и β = 0,4, причем две верхние кривые (расчет) построены с учетом результатов, полученных путем точного моделирования данных нагрузочных режимов, а две нижние кривые (предположение) — с учетом значения токов высших гармоник, которое скорректировано в соответствии с β. При этом предположении нелинейная нагрузка представлялась источником токов высших гармоник

где— ток п-й гармоники для случаев 100%-ной загрузки трансформатора и предполагаемой загрузки трансформатора, определяемой β.
Из рис. 2.15 видно, что при снижении β увеличивается ошибка от расчета с учетом предполагаемых значений. Если при β = 0,8 расчетные значения Κ превышают предполагаемые в 1,1—1,2 раза, то при β = 0,4 — в 1,8—2,1 раза. Как и в предыдущем случае, амплитудные значения отдельных гармоник напряжения, рассчитанные двумя методами, различаются в несколько раз.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Каждый конкретный режим определяется конкретным соотношением параметров сети и нагрузки и, как следствие, характером протекания электромагнитных процессов. В результате каждый конкретный режим подключения нелинейной нагрузки к низковольтной сети характеризуется определенным искажением форм кривых как тока, так и напряжения и, следовательно, определенным значением их высших гармоник. В связи с этим формально использовать выражения (2.9) и (2.10) для нахождения значений напряжений высших гармоник одного режима по значениям токов высших гармоник других режимов (даже очень близких) в целях проведения точного анализа не представляется возможным.
Таким образом, с учетом изложенного выше, схемы замещения сети НН с нелинейной нагрузкой, в которых данная нагрузка представляется источниками токов высших гармоник можно использовать для разработки приближенных оценочных методик. С помощью таких методик можно, в частности, проводить общий анализ влияния нелинейных нагрузок на форму кривых токов и напряжений в трехфазных сетях с нулевым проводом. Для проведения данного анализа необходимо определить зависимость между коэффициентом «-й гармонической составляющей напряжения в виде Кт = UM/UHOM и коэффициентом гармонической составляющей тока в виде К действующие значения тока и напряжения номинальных фазных и п-й гармоники соответственно) для конкретной сети. Упростив выражение (2.8) переходом к действующим значениям тока и напряжения и подставив в него  выраженные через К, получим

Разделив левую и правую части на Iном, найдем

где z — полное сопротивление нагрузки, z(n) — полное сопротивление сети для п-й гармоники.
Для определения полного сопротивления нагрузки находим:

  1. Полное, активное и индуктивное сопротивления фазы сети

  1. Активное и индуктивное сопротивления фазных продольных элементов сети

  1. Активное, индуктивное и полное сопротивления нагрузки


Обозначив Z|Zh = А(n) получим

Таким образом, зная значения zH для конкретной сети, мы можем определять зависимость K в этой сети, не конкретизируя нелинейную нагрузку.
В качестве примера рассмотрим сеть НН, которая представлена трансформатором мощностью 25 кВ А (схема соединения обмоток звезда—звезда с нулем), кабельной линией сечением 3×25+1×10 мм2 длиной 0,2 км и нагрузкой, являющейся источником токов высших гармоник, причем cos φ = 0,95. Тогда сопротивления элементов схемы замещения (Ом) такие:

В результате расчета получаем z= 5,941 Ом, а значения можно найти из выражений (2.9) и (2.10).

Рис. 2.16. Зависимости К для одного из конкретных вариантов исполнения сети НН

Тогда для данного варианта сети НН получаем следующие значения коэффициентов А(п) для одного из вариантов сети НН:

Очевидно, что значения в общем случае существенно превышают А. В соответствии с этим, напряжения гармоник, кратных трем, являются определяющими для суммарного напряжения высших гармоник даже при небольших значениях соответствующих составляющих токов. При одинаковом относительном увеличении токов всех гармоник напряжения возрастают значительно быстрее напряжений U. На рис. 2.16 показаны зависимости К для рассматриваемых гармоник. Из представленных графиков видно, что при K= 10 % К =11,84 %, а при К(5) = 10 %, Ки(5) — 2,26 %. Если соответствующий Кп(3) возрастает до 20%, то увеличивается до 23,68%, а К(5) — только до 4,52%. Согласно ГОСТ 13109—97 нормально допустимое значение К при n= 3 равно 5%, а при 5 — 6%. Из графиков (рис. 2.16) видно, что для выполнения этого условия в рассматриваемой сети К(3) не должен превышать 4,22%. Для сравнения: требования ГОСТ 13109—97 для высших гармоник с n= 5 в этом случае выполняются при К(5) < 26,51 %.
Таким образом, полученные кривые наглядно показывают, что даже низкий уровень токов гармоник, кратных трем (единицы процентов), может привести к значительным искажениям напряжений. Вместе с тем даже большие значения токов гармоник с n=2k(десятки процентов) часто не приводят к нарушению требований ГОСТ 13109—97 к значению.


Наличие гармоник с n= 3k в спектре высших гармоник тока является определяющим фактором для коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения. На рис. 2.17, показаны зависимостисоответственно для случаев т = 3 и т = 5, где коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения с учетом всех гармоник, кроме п = т. Семейство кривых для заданных гармоник описывается выражением

С помощью указанных графиков легко определить, как токи разных гармоник влияют на значение Ки. Анализ графиков показывает, что, например, увеличение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения за счет третьей гармоники тока при К(3) =3 % (рис. 2.17,а) можно сравнить с увеличением Κu за счет пятой гармоники тока при К(5) = 15 % (рис. 2.17, б).
Продолжая анализ, можно легко показать на графиках, что за счет третьей гармоники тока ( К0) = 15 %) Ки увеличивается от 8 до 19,48 % (рис. 2.17, а), а за счет пятой гармоники тока (К1(5)= 15 %) Кu изменяется от 8 до 8,69 %, т.е. увеличение составляет только 0,69 % (рис. 2.17, б). Рассмотрим случай (рис. 2.17, а), когда Κu = 12 %, причем известно, что К(3) =10 %. Из рисунка видно, что несинусоидальность напряжения, вызываемая остальными гармониками, будет определяться значением KU = 2 %. Из рис. 2.17, б следует, что при 8 пятая гармоника тока (Kl(5)= 10 %) почти не влияет на коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.
Покажем с помощью рассматриваемых графиков, как это свойство трехфазных четырехпроводных сетей, которое заключается в преобладающем влиянии гармоник, кратных трем, можно использовать на практике. Очевидно, что, фильтруя токи указанных гармоник, можно значительно снизить несинусоидальность напряжения. Это предполагает применение фильтров токов гармоник, кратных трем, в качестве эффективного средства снижения искажений формы кривых напряжений в трехфазных сетях с нулевым проводом. Следует отметить, что для конкретной сети всегда можно построить графики, аналогичные показанным на рис. 2.17, и с их помощью, зная значения Ки и КI(n=3к), определить значение KU(n). В результате можно заранее сделать вывод об эффективности фильтрации высших гармоник с помощью упомянутых фильтров в данной сети.
Например, для рассматриваемого варианта сети (см. рис. 2.17, а) при К(3) =15 % полная фильтрация тока третьей гармоники может привести к значению Κ< 8 % (по ГОСТ 13109—97) в случае, если до фильтрации коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения был не больше 19,5%.
Очевидно, что искажение формы кривой тока, вызываемое нелинейной нагрузкой, можно определять коэффициентом искажения синусоидальности кривой тока выражая его через коэффициенты п-х гармонических составляющих тока:

где N — порядок последней из учитываемых гармоник тока.
Исходя из предыдущих выводов, можно предположить, что КI не является показателем, который однозначно характеризует влияние нелинейной нагрузки на форму кривой напряжения сети. Очевидно, что при постоянном К, значение К в каждом конкретном случае для различных гармоник может существенно различаться, что в свою очередь приведет к разным значениям Κu.
Покажем это на примере рассматриваемого варианта сети НН. Для простоты считаем, что нелинейная нагрузка вызывает появление только третьей, пятой и седьмой гармоник тока. Пусть К, = const = 14,14 %, а значение К1(п) для этих трех гармоник изменяется и может принимать одно из значений: 6,8 или 10 %. В результате Ки при различных значениях К(n) изменяет свое значение от 7,86 до 12,17 %.
Зависимости Ки от значения К(п) для гармоник с л = 3, 5, 7 описываются выражением

Поскольку К, = const, то, например, для каждой пары значений K(5) и КI(7) однозначно находится К(3) из выражения

Аналогично по имеющимся значениям К можно находить Кт.

 Очевидно, что при постоянном К= 14,14 % и изменяюoихся в широких пределах К(п) (от 0 до 14,14 %) интервал изменения очень велик — от 3,2 до 16,8 %. Меньшему значению Ки соответствует вариант, когда все искажение формы кривой напряжения вызвано током пятой гармоники при К(5)=14,14 %. Большее значение Ки = 16,8 %получается при K(3) = 14,14 %, Κ = 0 и К = 0.
Таким образом, показано, что при одном и том же значении К, значение Ки определяется количественным и качественным составом спектра высших гармоник тока нелинейной нагрузки и может принимать самые разные значения. При этом, как отмечалось ранее, определяющим фактором является значение токов гармоник, кратных трем. Это обстоятельство следует учитывать как при разработке фильтрующих устройств, так и при проектировании оборудования, которое является источником высших гармоник тока. Следовательно, при минимизации К, входного тока данной нелинейной нагрузки необходимо в первую очередь (если есть такая возможность) снижать уровень гармоник, кратных трем, причем в этом случае можно допустить увеличение уровня других гармоник и даже K.
На основании изложенного выше можно сделать вывод, что с помощью моделей сетей НН, в которых нелинейная нагрузка задается источниками токов высших гармоник, удобно проводить анализ зависимостей высших гармоник тока и напряжения. При этом, не конкретизируя нелинейную нагрузку, можно рассматривать конкретную низковольтную сеть с определенными параметрами. Предложенный метод дает возможность готовить демонстрационные или учебные материалы, а также разрабатывать соответствующие методики, позволяющие оценить уровень высших гармоник и определить некоторые закономерности для трехфазных сетей с нулевым проводом, например, наглядно показать доминирующее влияние гармоник, кратных трем. При этом можно, в частности, предложить направление оптимизации и рекомендовать средства снижения уровня высших гармоник.

Что измерять при гармонических искажениях?

Электрические сети в современный период все более подвергнуты так называемым гармоническим «загрязнениям», которые вызывают нежелательные последствия.

Характерным, на сегодняшний день, является значительное увеличение находящихся в эксплуатации электронных устройств: колоссальное количество персональных компьютеров, источников бесперебойного питания и другого электронного оборудования, в которых используются малогабаритные импульсные источники питания. Кроме того получили широкое распространение такие мощные электронные устройства, как электронные регуляторы скорости, зарядно-выпрямительные устройства и др. 

Они представляют собой существенно нелинейную электрическую нагрузку и вызывают искажения синусоидальной формы кривых напряжения и тока, что приводит к возникновению гармонических «загрязнений» электрической сети. 

По этой причине в настоящее время электрические сети практически всех производственных предприятий и офисных зданий в той или иной степени «загрязнены». 

Гармонические «загрязнения» электросетей могут приводить к целому ряду повреждений электротехнического оборудования и к нанесению значительного ущерба технологическим процессам, главными из которых являются следующие :

1. Выход из строя конденсаторов, используемых для улучшения cos Ф электросети, а также в электролюминесцентных светильниках. 

2. Выход из строя в результате перегрева нулевых проводов из-за того, что в них суммируются токи всех третьих гармоник, при этом ток нулевого провода может более чем в два раза превысить номинальное значение фазного тока. 

3. Перегрев мощных силовых трансформаторов. 

4. Перегрев электродвигателей. 

5. Искажения электромеханических характеристик электродвигателей. 

6. Ложное срабатывание устройств токовой релейной защиты, перегрев предохранителей, ложное срабатывание защиты из-за наличия токов утечки. 

7. Повреждение межобмоточной изоляции в трансформаторах и электродвигателях. 

8. Перегрев питающих проводов и электрических кабелей. 

9. Недостоверные показания измерительных приборов и некоторых датчиков обратной связи в системах автоматизации технологических процессов.

Гармонические «загрязнения» даже кратковременного характера могут привести к сгоранию конденсаторов и к помехам в работе электронной аппаратуры.

В ряде случаев при использовании электронных устройств высокой мощности гармоники, возникающие на одном производственном предприятии, могут передаваться к другим предприятиям через общие сети электропитания и именно там причинять вред. 

Практика показала, что значительная часть электриков недостаточно знакома с областью показателей, характеризующих гармонические искажения, существующими стандартами на эти параметры, а также с аппаратурой, используемой для их измерения и необходимой для их своевременного выявления. 

В настоящей статье приводятся определения основных параметров гармоник, указаны приборы для измерения этих параметров и предупредительной сигнализации. Эти приборы могут осуществить также защитное отключение конденсаторов, включение различных ступеней фильтров и частичный сброс нагрузок.

Уровень гармонических искажений характеризуется следующими параметрами: 

1. Спектр гармоник – включает в себя действующие значения ( RMS AC ) напряжений и токов гармоник до 40-й или 63-й. Результаты измерений можно получить как в форме таблиц, так и соответствующих графиков.
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM. 

2. Коэффициент гармонических искажений по напряжению – THD ( V )% (Voltage Total Harmonic Distortion).
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091. 

3. Коэффициент гармонических искажений по току — THD ( I )% (Current Total Harmonic Distortion).
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091. 

4. Коэффициент гармонических искажений с учетом максимально потребляемого тока за определенный период Т – TDD % ( Total Demand Distortion ). 

В большинстве случаев можно принять, что максимально потребляемый ток I DEM за определенный период Т — равен номинальному. При этом указанный период Т может изменяться от 1 минуты до 60 минут.
Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH. 

5. Коэффициент дополнительного нагревания трансформаторов из-за гармонических искажений- (К- Factor ) 

Необходимые измерения, предупредительная сигнализация и защитные переключения или частичный сброс нагрузок трансформаторов могут быть выполнены с помощью следующих приборов SATEC : PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091, PM 130EH, RPM 072E.
 
Измерения токов, напряжений, мощностей и других параметров. 

Для измерения истинных значений параметров ( True RMS AC ) при наличии гармонического «загрязнения» сети необходимы приборы, позволяющие осуществлять большое число мгновенных замеров текущих значений кривой, как правило, не менее 32 замеров за период. Такие измерения могут выполняться приборами PM 172E, PM 172EH, PM 130 EH. 

Когда имеется потребность в измерении True RMS AC с учетом гармоник до 63-й, необходимо осуществить не менее 128 замеров за период. Такие измерения могут выполняться приборами PM 296, C 191 HM, PM 172E, PM 172EH, RPT 091. 

Фирма SATEC изготовляет широкий набор приборов, основанных на новых технологиях, которые могут осуществлять измерения в электросетях, сильно «загрязненных» гармониками. Такие приборы способны измерять весь комплекс параметров, требуемых для того, чтобы охарактеризовать уровень гармоник и проверить их соответствие стандартам. 

1. РМ 296 – имеет внутреннюю память, может осуществлять гармонический анализ, включая спектры напряжения, тока и мощности с учетом гармоник до 63-й. Он позволяет также выполнить анализ помех в сети, гармоник ограниченного времени действия, и различных событий, связанных с отличием от разрешенных стандартом значений параметров сети (напряжение, ток, частота, THD и др.). 

Этот прибор рекомендуется для измерений на особо ответственных объектах с чувствительным оборудованием, как например, в больницах, аэропортах, производственных предприятиях с непрерывным технологическим циклом, а также в помещениях с большим скоплением народа ( большие торговые центры, крупные офисные здания и др.). 

2. PM 172E, PM 172EH, RPT 091, C 191 HM, PM 130 EH – в дополнение к обычным параметрам измеряют TDD ( I )%, THD ( I )%, THD ( U )%. Эти приборы рекомендуется устанавливать в местах, где прогнозируются значительные гармонические искажения, например, в производственных предприятиях с большим количеством регуляторов частоты, в крупных офисных зданиях и т.д. 

Заключение. 

1. Внедрение современной электронной техники вызывает значительное «загрязнение» электрических сетей гармониками, причем именно сама эта техника в наибольшей степени чувствительна к этим «загрязнениям». 

2. Только цифровые измерительные приборы с применением микропроцессоров способны в этих условиях осуществлять достоверные измерения ( True RMS AC ) токов, напряжений и мощностей. 

3. Для обеспечения надлежащей работы оборудования и предотвращения повреждений необходимо регулярно определять уровень гармоник в сети путем измерения следующих параметров: THD , TDD , K — Factor и гармонического спектра как для постоянно присутствующих гармоник, так и для гармоник с ограниченным временем действия. 

4. Необходимо постоянно измерять ток в нулевом проводе питающей сети и получать предупреждающие сигналы при его выходе за пределы нормы. 

5. В фирме SATEC разработан весь набор измерительных приборов, позволяющих выполнять измерения гармоник, осуществлять предупредительную сигнализацию, включать фильтры, отключать конденсаторы и осуществлять частичное отключение нагрузок.

Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения — нормируемый показатель по ГОСТ 13109-97 (нормы качества электрической энергии).

Характеризуется следующими показателями:

  • коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
  • коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения.

Причины выхода показателей за пределы норм состоят в использовании различных нелинейных приемников электрической энергии, таких как:

  • вентильные преобразователи;
  • силовое электрооборудование с тиристорным управлением;
  • дуговые и индукционные электропечи;
  • люминесцентные лампы;
  • установки дуговой и контактной сварки;
  • преобразователи частоты;
  • бытовая техника (компьютеры, телевизоры и др.).

В процессе работы эти устройства потребляют энергию основной частоты, которая расходуется не только на совершение полезной работы и покрытие потерь, но еще и на образование потока высших гармонических составляющих, которые «выбрасывается» во внешнюю сеть.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу потребителей электрической энергии.

В двигателях гармоники напряжения и тока приводят к появлению добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в стали статора и ротора. Из-за вихревых токов и поверхностного эффекта потери в проводниках статора и ротора больше, чем определяемые омическим сопротивлением. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям. Все это приводит к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе, что может привести к серьезным последствиям. Также следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора.

В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь на гистерезис, потери, связанные с вихревыми токами в стали, и потери в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного трансформатора, так как наличие фильтра, присоединенного обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоник тока в трансформаторе. Кроме того, могут наблюдаться локальные перегревы трансформаторного бака.

В батареях конденсаторов гармоники тока также приводят к добавочным потерям энергии. Вследствие этого происходит дополнительный нагрев конденсатора, который может привести к выходу последнего из строя. Также возможно повреждение конденсатора при возникновении гармонических резонансов в сети.

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Наиболее распространенными являются ложные срабатывания, которые наиболее вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений.

Влияние гармоник на индукционные приборы измерения мощности и учета электроэнергии приводит к увеличению погрешности результатов их измерений.

Также следует отметить влияние гармоник, возникающих в силовых цепях, на сигналы в линиях связи (в частности, в телефонных линиях). Малый уровень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой информации теряется, в исключительных случаях связь становится вообще невозможной.

Ответственность и меры компенсации

По ГОСТ 13109-97 поставщиками гармонических искажений являются потребители с нелинейными нагрузками. Способы снижения несинусоидальности напряжения можно разделить на три группы:

  1. схемные решения: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, группирование вентильных преобразователей по схеме умножения фаз, подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания;
  2. применение оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник, например «не насыщающихся» трансформаторов и многофазных вентильных преобразователей;
  3. использование фильтровых устройств: параллельных узкополосных резонансных фильтров, фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрирующих устройств.

Влияние высших гармоник и их фильтрация

Развитие современных технологий полупроводников ведет все к более возрастающему количеству потребителей, управляемых тиристорами и конверторами. К сожалению, конверторы увеличивают значение индуктивной реактивной мощности и ухудшают несинусоидальную форму токовой кривой. Это помехи питаемой сети ведут к повреждениям и ошибочным включениям оборудования и приборов.

Типичный ток конвертора представляет собой наложения различных синусоидальных составных тока, т.е. основной сетевой частоты и определенного числа так называемых высших гармоник (в трехфазной сети в первую очередь гармоники 5-го, 7–го и 11-го порядков).

Содержание высших гармоник в трехфазной сети ведет к повышению тока в конденсаторах, т.к. реактивное сопротивление конденсаторов с возрастанием частоты уменьшается.

Загрязнение сетей переменного тока высшими гармониками может вести к следующим последствиям:

  • снижение срока службы конденсаторов
  • преждевременное срабатывание защитной аппаратуры
  • выход из строя или ошибочная деятельность компьютеров, приводов двигателей, устройств освещения и др. чувствительных потребителей

Параллельно с возрастанием тока в конденсаторах, который можно регулировать с помощью конструктивных мер, в неблагоприятных случаях в сетях могут возникнуть резонансные явления. Компенсационные конденсаторы и индуктивности трансформатора и сети представляют собой резонансный контур. Если собственная частота такого контура совпадет с частотой высших гармоник, то возможно возникновение колебаний со значительными сверхтоками и перенапряжениями. Это ведет к перезагрузкам и повреждениям в электрических установках.

Целью подключения дросселя (реактора) к конденсатору служит снижение резонансной частоты сети до значения, величина которого ниже значения наименьшей высшей гармоники данной сети. Этим предотвращается резонанс между конденсаторами и сетью, а значит и возрастание токов высших гармоник. Кроме того, такое включение имеет эффект фильтра, при котором уменьшается степень искажения напряжения. Рекомендуется в тех случаях, где доля потребителей, загрязняющих сеть высшими гармониками, составляет более 20 % всех потребителей сети.

Фильтр высших гармоник

Для токов высших гармоник цепь фильтра представляет собой очень низкое полное сопротивление. Поэтому большая часть таких токов направляется в этот контур. Резонансная частота конденсатора, включенного последовательно с дросселем, всегда лежит ниже частоты 5-ой гармоники.


Определение гармоник — Руководство по устройству электроустановок

Наличие гармоник в электрических системах означает, что ток и напряжение искажаются и отклоняются от синусоидальной формы волны.

Гармонические токи вызваны нелинейными нагрузками, подключенными к распределительной системе. Нагрузка называется нелинейной, если ток, который она потребляет, не имеет той же формы волны, что и напряжение питания. Прохождение гармонических токов через полное сопротивление системы, в свою очередь, создает гармоники напряжения, которые искажают напряжение питания.

На На рисунке M1 представлены типичные формы сигналов тока для однофазных (вверху) и трехфазных нелинейных нагрузок (внизу).

Рис. M1 — Примеры кривых искаженного тока

Теорема Фурье утверждает, что все несинусоидальные периодические функции могут быть представлены в виде суммы членов (т.е. ряда), состоящих из:

  • Синусоидальный член на основной частоте,
  • Синусоидальные составляющие (гармоники), частоты которых кратны основной частоте,
  • Компонент постоянного тока, если применимо.{h = \ infty} Y_ {h} {\ sqrt {2}} sin \ left (h \ omega t- \ varphi _ {h} \ right)}

    где:

    • Y 0 : значение составляющей постоянного тока, обычно нулевое и рассматриваемое как таковое в дальнейшем,
    • Y ч : среднеквадратичное значение значение гармоники порядка h,
    • ω: угловая частота основной частоты,
    • φ h : смещение гармонической составляющей при t = 0.

    На рисунке M2 показан пример волны тока, на которую влияют гармонические искажения в системе распределения электроэнергии с частотой 50 Гц.Искаженный сигнал представляет собой сумму ряда наложенных гармоник:

    • Значение основной частоты (или гармоники первого порядка) составляет 50 Гц,
    • Гармоника порядка 3 rd имеет частоту 150 Гц,
    • Гармоника 5 -го порядка имеет частоту 250 Гц,
    • Etc…

    Рис. {2}}} {Y_ {1}}}}}

    THD — это отношение r.{2}}}}

    Current Harmonic — обзор

    7.5.1 Гармонические токи

    Гармонические токи генерируются входным выпрямителем переменного тока. привод показан на рис. 7.8. Электропитание выпрямляется диодным мостом, и возникающий постоянный ток. напряжение сглаживается постоянным током. соединительный конденсатор, а для приводов с номинальной мощностью более 2,2 кВт — постоянного тока. Ток сглаживается индуктором в постоянном токе. схема. Постоянный ток Затем напряжение прерывается в каскаде инвертора, который использует ШИМ для создания синусоидального выходного напряжения с регулируемым напряжением и частотой.

    Хотя малые приводы могут иметь однофазное питание, мы рассмотрим трехфазное питание. Из рис. 7.13 видно, что ток течет в выпрямитель в виде серии импульсов, которые возникают всякий раз, когда напряжение питания превышает постоянное напряжение. ссылка, когда диоды начинают проводить. Амплитуда этих импульсов намного больше основной составляющей, которая показана пунктирной линией.

    Рис. 7.13. Типичный ток от электросети для трехфазного привода мощностью 1,5 кВт.

    На рис. 7.14 показан спектральный анализ формы сигнала тока на рис. 7.13.

    Рис. 7.14. Гармонический спектр формы сигнала тока показан на рис. 7.13.

    Обратите внимание, что все токи, показанные в спектрах, состоят из линий, кратных частоте сети 50 Гц. Поскольку форма волны симметрична в положительном и отрицательном полупериодах, помимо недостатков, гармоники четного порядка присутствуют только на очень низком уровне. Гармоники нечетного порядка довольно высоки, но они уменьшаются с увеличением номера гармоники.Для трехфазного входного моста нет тройных (трехчастотных) гармоник, а для 25-й гармоники уровень незначителен. Частота этой гармоники для источника питания 50 Гц составляет 1250 Гц, что находится в области звуковых частот электромагнитного спектра и значительно ниже радиочастотной части, которая, как обычно считается, начинается с 150 кГц. Это важно, поскольку показывает, что гармоники питания представляют собой низкочастотные эффекты, которые сильно отличаются от эффектов радиочастотной электромагнитной совместимости (ЭМС).Они нечувствительны к мелким деталям компоновки и экранирования цепей, и для любых корректирующих мер, которые требуются, используются традиционные методы электроэнергетики, такие как настроенные конденсаторы коэффициента мощности и фазосдвигающие трансформаторы. Это не следует путать с различными методами, используемыми для контроля радиочастотных помех от устройств с быстрым переключением, искрения электрических контактов и т. Д. — всех вопросов, которые относятся к «высокочастотному миру», упомянутому в разделе 7.4.2.

    Фактические величины гармоник тока зависят от детальной конструкции привода, в частности от значений d.c. емкость звена и, если используется, постоянный ток. индуктивность линии, а также полное сопротивление системы электроснабжения, к которой она подключена, и других нелинейных нагрузок в системе.

    Мы должны прояснить, что промышленные проблемы, связанные с гармониками, необычны, хотя с постоянным увеличением использования электронного оборудования они станут более распространенными в будущем. Проблемы чаще всего возникали в офисных зданиях с очень высокой плотностью персональных компьютеров и в тех случаях, когда большая часть мощности питания используется электронным оборудованием, таким как приводы, преобразователи и ИБП.

    Как правило, если общая нагрузка выпрямителя (например, приводы, ИБП, ПК и т. Д.) В энергосистеме составляет менее 20% от ее допустимой токовой нагрузки, то гармоники вряд ли будут ограничивающим фактором. Во многих промышленных установках мощность источника питания значительно превышает установленную нагрузку, и большая часть нагрузки, такая как неконтролируемые (прямые) асинхронные двигатели и резистивные нагревательные элементы, генерируют минимальные гармоники.

    Если нагрузка выпрямителя превышает 20%, то должен существовать план управления гармониками.Для этого требуется некоторый опыт, и часто можно получить рекомендации от поставщиков оборудования. Хорошая новость заключается в том, что если считается, что проблема будет существовать с расчетным уровнем гармоник, тогда существует ряд доступных опций для уменьшения искажений до приемлемых уровней.

    Приводы

    переменного тока мощностью более 2,2 кВт обычно проектируются с индуктивностью, встроенной в постоянный ток. ссылка и / или переменный ток входная цепь. Это дает гораздо лучшую форму сигнала тока питания и его значительно улучшенный спектр, как показано на рис.7.15 и 7.16 соответственно, которые опять же для привода мощностью 1,5 кВт для простоты сравнения с предыдущими иллюстрациями. (В этом случае индуктивность в каждой линии указывается как «2%», что означает, что когда в линии протекает номинальный основной ток, падение напряжения на катушке индуктивности равно 2% от напряжения питания.) Обратите внимание на изменение вертикальной шкалы между рис. 7.13 и 7.15, которые могут скрывать тот факт, что импульсы тока теперь достигают примерно 5 А, а не 17 А или около того ранее, но основная составляющая остается на уровне 4 А, потому что нагрузка такая же.(Помните, что, хотя мы только что продемонстрировали огромное улучшение гармоник питания, достигаемое за счет добавления индуктивности звена постоянного тока к приводу мощностью 1,5 кВт, стандартные приводы редко производятся с какой-либо индуктивностью, потому что, хотя спектр гармоник выглядит тревожным, токи очень низкие. уровень, что они редко вызывают практические проблемы.)

    Рис. 7.15. Форма кривой тока электросети для трехфазного привода мощностью 1,5 кВт с постоянным током и 2% перем. индукторы.

    Рис. 7.16. Гармонический спектр улучшенной формы волны тока, показанной на рис.7.15.

    В стандартных трехфазных приводах мощностью примерно до 200 кВт обычно используются традиционные 6-импульсные выпрямители. При более высоких мощностях может потребоваться увеличить количество импульсов для улучшения формы сигнала на стороне питания, и для этого требуется специальный трансформатор с двумя отдельными вторичными обмотками, как показано для 12-импульсного выпрямителя на рис. 7.17.

    Рис. 7.17. Базовая схема 12-пульсного выпрямителя.

    Напряжения во вторичных обмотках звезды и треугольника трансформатора имеют одинаковую величину, но с относительным фазовым сдвигом 30 °.Каждая обмотка имеет собственный набор из шести диодов, каждый из которых выдает шестипульсное выходное напряжение. Два выхода обычно подключаются параллельно, и из-за фазового сдвига результирующее напряжение состоит из двенадцати импульсов под углом 30 ° за цикл, а не из шести импульсов под углом 60 °, показанных, например, на рис. 2.13.

    Фазовый сдвиг 30 ° эквивалентен 180 ° на пятой и седьмой гармониках (а также 17, 19, 29, 31 и т. Д.), Так что магнитный поток и, следовательно, первичный ток на этих гармониках компенсируются в трансформаторе, и поэтому результирующая форма первичного сигнала очень хорошо приближается к синусоиде, как показано для привода мощностью 150 кВт на рис.7.18.

    Рис. 7.18. Форма кривой тока электросети для привода 150 кВт с 12-импульсным выпрямителем.

    Использование приводных систем с входным выпрямителем / преобразователем, использующим ШИМ, который генерирует незначительные гармонические токи в электросети, как описано в разделе 2.4.6, становится все более распространенным. Это также позволяет возвращать мощность от нагрузки к источнику питания.

    Как найти гармоники в электрических системах

    Гармоники — это токи или напряжения с частотами, кратными основной частоте сети.Если основная частота равна 60 Гц, то вторая гармоника — 120 Гц, третья — 180 Гц и т. Д. Гармоники создаются нелинейными нагрузками, которые потребляют ток резкими импульсами, а не плавно синусоидальным образом. Эти импульсы вызывают искажение формы волны тока, что, в свою очередь, заставляет гармонические токи течь обратно в другие части энергосистемы.

    Хотя любая электронная нагрузка может генерировать гармоники, неэффективность преобладает там, где имеется большое количество персональных компьютеров и другого оборудования, потребляющего ток короткими импульсами.С другой стороны, частотно-регулируемые приводы (VFD) более эффективны, поскольку они предназначены для потребления тока только во время контролируемой части формы волны входящего напряжения.

    Несмотря на то, что частотно-регулируемые приводы значительно повышают эффективность, они могут вызывать гармонические составляющие в токе нагрузки, что может привести к перегреву трансформаторов, а также срабатыванию автоматических выключателей. Анализаторы качества электроэнергии и регистраторы мощности могут помочь вам идентифицировать гармоники в этих системах.

    Эти нежелательные частоты вызывают также другие проблемы, включая потери тепла и КПД в двигателях.Наиболее серьезные симптомы, создаваемые гармониками, обычно являются результатом гармоник, искажающих основную синусоидальную волну 60 Гц, присутствующую в объектах. Это синусоидальное искажение приводит к неправильной работе электронного оборудования, ложным сигналам тревоги, потере данных и тому, что часто называют «загадочными» проблемами.

    Общее гармоническое искажение (THD)

    При появлении симптомов гармоник устраните неисправность, наблюдая за полным гармоническим искажением (THD). THD — это отношение всех присутствующих гармоник к основной частоте, выраженное как отношение суммы мощностей всех гармоник к мощности основной частоты.Значительное увеличение THD при различных условиях нагрузки требует процентного сравнения уровня каждого отдельного гармонического тока по сравнению с общим основным током, протекающим в системе.

    Знание эффектов, создаваемых каждой гармоникой тока, и сравнение их с выявленными симптомами поможет в поиске и устранении неисправностей. Затем следует изолировать и исправить источник гармоники. Резюме Проблемы с напряжением и создание гармонических токов — две основные области, в которых возникают проблемы с качеством электроэнергии.Провалы и выбросы, скачки напряжения, перебои в подаче электроэнергии и несимметрия напряжения — все это можно отслеживать, анализировать и сравнивать с историей работы оборудования, чтобы определить причину и серьезность проблемы качества электроэнергии. То же самое можно сделать с различными гармоническими токами в системе.

    Объяснение гармоник — Controllix

    В нормальной системе питания переменного тока ток изменяется синусоидально с определенной частотой, обычно 50 или 60 герц. Когда к системе подключена линейная электрическая нагрузка, она потребляет синусоидальный ток той же частоты, что и напряжение (хотя обычно не в фазе с напряжением).

    Гармоники тока вызваны нелинейными нагрузками. Когда к системе подключена нелинейная нагрузка, такая как выпрямитель, она потребляет ток, который не обязательно является синусоидальным. Форма волны тока может стать довольно сложной в зависимости от типа нагрузки и ее взаимодействия с другими компонентами системы. Независимо от того, насколько сложной становится форма волны тока, как описано в анализе ряда Фурье, ее можно разбить на серию простых синусоид, которые начинаются на основной частоте энергосистемы и возникают на целых кратных основной частоте.

    Другие примеры нелинейных нагрузок включают обычное офисное оборудование, такое как компьютеры и принтеры, флуоресцентное освещение, зарядные устройства для аккумуляторов, а также приводы с регулируемой скоростью.

    Гармоники третьего порядка

    В энергосистемах гармоники кратны основной частоте. Таким образом, гармоника третьего порядка является третьей кратной основной частоты. Этот тип гармоник возникает при нелинейных нагрузках. Примеры нелинейных нагрузок включают транзисторы, электродвигатели и неидеальный трансформатор.Нелинейные нагрузки создают возмущения основной гармоники, которые создают все типы гармоник. Однако в этом разделе мы сосредоточимся на гармонике 3-го порядка из-за ее определенных особенностей в контексте систем мощности.

    Питание подается от трехфазной системы, в которой каждая фаза разнесена на 120 градусов. Это делается по двум причинам: во-первых, это потому, что генераторы / двигатели, которые используют три фазы, более эффективны из-за постоянного крутящего момента, подаваемого фазами, и во-вторых, потому что после подачи питания на нагрузку, три фазы теоретически могут быть добавлены. на нейтральный провод и нейтрализуют друг друга.Это избавляет коммунальное предприятие от создания обратной проводки к электростанции. Однако, если 3 фазы содержат гармоники 3-го порядка, токи не будут полностью добавляться к нулю. Как видно на рисунке, 3-я гармоника будет конструктивно складываться с 3-ей гармоникой в ​​других фазах. Это приводит к возникновению колебательного тока в нейтральном проводе, что может быть опасным, поскольку он спроектирован (то есть проводники небольшого размера) так, чтобы пропускать минимальный ток. [1] Чтобы избежать суммирования 3-й гармоники, используются соединения треугольником, и ток циркулирует вокруг соединения вместо объединения в нейтраль соединения звезды.

    Гармоники напряжения

    Гармоники напряжения в основном вызваны гармониками тока. Напряжение, подаваемое источником напряжения, будет искажено гармониками тока из-за импеданса источника. Если полное сопротивление источника напряжения мало, гармоники тока вызовут только небольшие гармоники напряжения. Обычно гармоники напряжения действительно малы по сравнению с гармониками тока. По этой причине форма волны напряжения обычно может быть аппроксимирована основной частотой напряжения.При использовании этого приближения гармоники тока не влияют на реальную мощность, передаваемую нагрузке. Интуитивно понятный способ увидеть это — нарисовать набросок волны напряжения на основной частоте и наложить гармонику тока без сдвига фазы (чтобы легче было наблюдать следующее явление). Что можно наблюдать, так это то, что для каждого периода напряжения существует равная площадь над горизонтальной осью и под гармонической волной тока, как и под осью и над гармонической волной тока.Это означает, что средняя активная мощность, вносимая гармониками тока, равна нулю. Однако, если рассматривать высшие гармоники напряжения, то гармоники тока действительно вносят вклад в реальную мощность, передаваемую нагрузке.

    Основы гармоник

    Harmonics обеспечивает математический анализ искажений формы сигнала тока или напряжения. Основываясь на рядах Фурье, гармоники могут описывать любую периодическую волну как сумму простых синусоидальных волн, которые являются целыми кратными основной частоты.

    Гармоники — это установившиеся искажения волн тока и напряжения, повторяющиеся каждый цикл. Они отличаются от переходных искажений в энергосистемах, таких как пики, провалы и импульсы.

    Суммарные гармонические искажения

    Суммарные гармонические искажения или THD — это обычное измерение уровня гармонических искажений, присутствующих в энергосистемах. THD может быть связан либо с гармониками тока, либо с гармониками напряжения, и определяется как отношение общего количества гармоник к значению основной частоты, умноженному на 100%.{2}}} {I_ {1}}} * 100 \%}

    , где В n — среднеквадратичное значение напряжения n -й гармоники, «I n » — среднеквадратичное значение тока n-й гармоники, а n = 1 — основная частота.

    Обычно мы пренебрегаем высшими гармониками напряжения; однако, если ими не пренебрегать, действительная мощность, передаваемая нагрузке, зависит от гармоник. Среднюю активную мощность можно найти, прибавив произведение напряжения и тока (и коэффициента мощности, обозначенного здесь pf ) на каждой более высокой частоте к произведению напряжения и тока на основной частоте, или

    {\ displaystyle {P_ {avg}} = \ sum _ {k \ mathop {=} 1} ^ {\ infty} V_ {k} * I_ {k} * pf = P_ {avg, 1} + P_ { avg, 2} + \ cdots}

    , где V k и I k — среднеквадратичные значения напряжения и тока на гармонике k ({\ displaystyle k = 1} обозначает основную частоту), а {\ displaystyle P_ {avg, 1}} — это обычное определение мощности без учета гармонических составляющих.{2}}}}}.}

    Имена присвоены двум различным факторам следующим образом:

    {\ displaystyle pf_ {true} = pf_ {disp} * pf_ {dist},}

    , где {\ displaystyle pf_ {disp}} — коэффициент мощности смещения, а {\ displaystyle pf_ {dist}} — коэффициент мощности искажения (то есть вклад гармоник в общий коэффициент мощности).

    Одним из основных эффектов гармоник энергосистемы является увеличение тока в системе. Это особенно верно для третьей гармоники, которая вызывает резкое увеличение тока нулевой последовательности и, следовательно, увеличивает ток в нейтральном проводе.Этот эффект может потребовать особого внимания при проектировании электрической системы для обслуживания нелинейных нагрузок. [4]

    Помимо повышенного сетевого тока, различные части электрооборудования могут страдать от воздействия гармоник в энергосистеме.

    Двигатели

    Электродвигатели испытывают потери из-за гистерезиса и вихревых токов, возникающих в железном сердечнике двигателя. Они пропорциональны частоте тока. Поскольку гармоники находятся на более высоких частотах, они вызывают более высокие потери в сердечнике двигателя, чем частота сети.Это приводит к повышенному нагреву сердечника двигателя, который (в случае чрезмерного) может сократить срок службы двигателя. Пятая гармоника вызывает в больших двигателях противодействующую электродвижущую силу, которая действует в противоположном направлении вращения. CEMF недостаточно велика, чтобы противодействовать вращению, однако она играет небольшую роль в результирующей скорости вращения двигателя.

    Телефоны

    В США обычные телефонные линии предназначены для передачи частот от 300 до 3400 Гц.Поскольку в США электроэнергия распределяется с частотой 60 Гц, она обычно не мешает телефонной связи, поскольку ее частота слишком мала.

    Завод Инжиниринг | Основы минимизации гармоник

    Аварийное отключение электроэнергии 14 августа 2003 г. подчеркнуло, что к качеству электроэнергии нельзя относиться легкомысленно. Отключение электроэнергии было вызвано и повлияло на электросеть — электрическую инфраструктуру нашей страны. Вопросы, поднятые на этом мероприятии, должны и будут подвергаться тщательному изучению.Точно так же, как страна смотрит на свои проблемы качества электроэнергии, инженеры станции должны рассматривать вопросы качества электроэнергии внутри станции.

    Гармоники — это модное слово, которое в наши дни широко распространяют. Но что такое гармоники и почему мы так много о них слышим? В чем проблема? Почему они так важны?

    Что такое гармоники?

    Гармоники кратны основной частоте. В музыке они называются октавами и обычно желательны. Но в системе распределения электроэнергии предприятия они нежелательны.

    Гармоники вызывают проблемы в сочетании с основной электрической формой волны. Поскольку эти гармоники кратны основной частоте сети 60 Гц, частоты гармоник могут быть 2-кратными при 120 Гц, 3-кратными при 180 Гц и т. Д. Когда гармоники смешиваются с основной гармоникой, они искажают синусоидальную волну (рис. 1).

    IEEE определяет содержание гармоник как «меру присутствия гармоник в форме волны напряжения или тока, выраженную в процентах от амплитуды основной частоты на каждой частоте гармоники.Общее содержание гармоник выражается как квадратный корень из суммы квадратов каждой из амплитуд гармоник ».

    Что вызывает гармоники?

    Нелинейные нагрузки — основная причина гармоник. Эти нелинейные нагрузки включают, помимо прочего, приводы с регулируемой скоростью, твердотельные регуляторы для отопления и других приложений, импульсные источники питания, подобные тем, которые используются практически в каждом компьютеризированном оборудовании, статические системы бесперебойного питания (ИБП), электронные балласты, электронное испытательное оборудование и электронная офисная техника.

    Нелинейные нагрузки потребляют короткие всплески тока в каждом цикле формы волны, тем самым искажая синусоидальную форму волны. Гармонические напряжения являются результатом взаимодействия гармонических токов с импедансом энергосистемы.

    Почему они вредны для оборудования?

    Вредное воздействие гармоник включает перегрев трансформаторов, силовых кабелей, двигателей и приводов. Они вызывают непреднамеренное тепловое срабатывание реле и защитных устройств. Гармоники могут даже вызвать логические сбои в цифровых устройствах и неправильные измерения измерителя напряжения и тока.Любой из этих пагубных результатов может привести к простою вашего предприятия.

    Раздел 6 стандарта IEEE 519-1992 описывает, как гармонические токи увеличивают нагрев двигателей, трансформаторов и силовых кабелей. Согласно спецификации, гармоники могут вызывать электрические потери в сердечниках трансформаторов и роторах двигателей в результате гистерезиса и вихревых токов, вызывая их перегрев. В двигателях наблюдается снижение крутящего момента. Высокие гармоники вызывают неустойчивую работу электронного оборудования.

    Гармоники по-разному влияют на разное оборудование.Некоторые из вредных эффектов, вызванных гармониками:

    • Конденсаторы — Конденсаторы работают как поглотители повышенных гармоник и частот гармоник. Индуктивность системы питания может резонировать с конденсаторами на некоторых частотах гармоник, вызывая образование больших токов и напряжений на этих частотах. Повышенные токи и напряжения вызывают пробой диэлектрического материала внутри конденсаторов, что, в свою очередь, вызывает нагрев конденсаторов. По мере высыхания диэлектриков конденсаторов они теряют способность рассеивать тепло и становятся еще более восприимчивыми к повреждению из-за гармоник.По мере продолжения этого ухудшения могут произойти короткие замыкания или взрывы конденсаторов.

    • Трансформаторы — Гармонические напряжения вызывают более высокое напряжение трансформатора и нагрузку на изоляцию, что приводит к нагреву трансформатора, сокращению срока службы, повышенным потерям в меди и железе из-за гистерезиса и вихревых токов, а также к нагрузке на изоляцию.

    • Двигатели — Гармонические напряжения создают магнитные поля, которые вращаются со скоростью, соответствующей гармоническим частотам, что приводит к повышенным потерям, нагреву двигателя, механическим колебаниям и шуму, пульсирующим моментам, повышенным потерям на вихревые токи и гистерезису в обмотках статора и ротора, снижению эффективности , сокращение срока службы и напряжения изоляции обмотки двигателя.

    • Автоматические выключатели — Гармоники могут препятствовать нормальной работе предохранительных катушек; автоматические выключатели могут не прерывать ток должным образом; или выключатели могут полностью выйти из строя.

    • Счетчики ватт-часов — Индукционные диски откалиброваны для точной работы только на основной частоте. Гармоники создают дополнительный крутящий момент на этих дисках, вызывая неправильную работу и неправильные показания.

    • Электронное оборудование и оборудование с компьютерным управлением — Некоторое электронное оборудование зависит от перехода через нуль или пиков напряжения для правильной работы.Гармоники могут изменять эти параметры, вызывая неустойчивую работу и преждевременный выход оборудования из строя.

    • Помимо повреждения оборудования, ваша энергетическая компания может наложить на вас жесткие штрафы за несоответствие стандарту IEEE 519. Спецификация IEEE требует, чтобы гармонические искажения формы волны тока были ограничены до 5%. Однако некоторые инженеры считают, что эксплуатация установки с такими высокими гармоническими искажениями может привести к значительным потерям энергии и сокращению срока службы оборудования; и рекомендуют, чтобы общее гармоническое искажение не превышало 1.5% при нормальных условиях.

      Как можно минимизировать гармоники?

      Обследование объекта по обеспечению качества электроэнергии может помочь вам определить, какие проблемы с качеством электроэнергии есть на вашей электростанции по обе стороны от измерителя мощности. Большинство обследований требует установки оборудования или программного обеспечения для мониторинга качества электроэнергии. Опрос не только помогает определить наличие и степень гармоник, но также выявляет другие проблемы качества электроэнергии, такие как провалы напряжения, прерывания питания, мерцание, несимметрия напряжения, переходные процессы, плохая проводка, а также плохое или ненадлежащее заземление.

      Гармоники можно минимизировать — и до некоторой степени предотвратить — с помощью:

      • Проектирование электрического оборудования и систем для предотвращения гармоник, вызывающих повреждение оборудования или системы

      • Анализ симптомов гармоник для определения их причин и разработки решений

      • Выявление и уменьшение или устранение среды, передающей гармоники

      • Использование оборудования стабилизации мощности для уменьшения гармоник и других проблем с качеством электроэнергии, когда они возникают.

      • Когда электрическая система передачи и распределения действует как проводник для гармоник, любой пользователь, подключенный к сети, может нести ответственность за их генерацию. В этом случае обратитесь к своему электроснабжению, чтобы определить источники гармоник и минимизировать их влияние на электрическую систему вашего предприятия.

        Однако, если на вашем предприятии генерируются гармоники, вам решать, как эффективно их ослабить. Решить проблему гармоник в источнике — всегда лучший способ.На вашем предприятии минимизация гармоник лучше для вашего оборудования и для цены, которую вы платите за электроэнергию. Кроме того, вы несете ответственность за то, чтобы ваши гармоники не возвращались в электрическую распределительную среду, тем самым влияя на качество электроэнергии других, подключенных к сети.

        Профилактика

        Один из способов минимизировать гармоники, генерируемые внутри вашего предприятия, — это уменьшить или устранить их до того, как они возникнут. Приводы с регулируемой скоростью традиционно были виновниками генерации гармоник.Однако компании разрабатывают приводы, которые работают с пониженными уровнями гармоник (рис. 2).

        Трансформатор треугольник-звезда может быть установлен параллельно с трансформатором дельта-треугольник для эффективного преобразования двух синхронизированных 6-импульсных частотно-регулируемых приводов в 12-пульсное приложение. В некоторых приложениях приводов используются сетевые дроссели и изолирующие трансформаторы для обеспечения дополнительного индуктивного реактивного сопротивления, помогающего минимизировать гармоники.

        Фильтры

        Коммунальные предприятия используют фильтры гармоник для минимизации гармоник в своих распределительных системах.Фильтры можно использовать и внутри завода. Обычно фильтры гармоник бывают пассивными или активными. В пассивных фильтрах гармоник используются катушки индуктивности и конденсаторы для блокировки гармоник или их шунтирования на землю, в зависимости от конфигурации и применения. С увеличением частоты сопротивление катушки индуктивности также увеличивается, тогда как сопротивление конденсатора уменьшается. Пассивные фильтры могут стать неэффективными, если гармоники изменяются из-за переменных нагрузок.

        Сетевые дроссели и трансформаторы используются для ограниченного контроля гармоник с приводами переменного тока.Однако большинство из них устанавливаются для защиты привода от переходных процессов. Значительный контроль гармоник может быть достигнут только при правильном выборе размера катушки индуктивности, при низком импедансе источника или при отсутствии в приводе встроенного дросселя шины постоянного тока.

        Пассивный фильтр подавления гармоник может содержать цепь последовательного / шунтирующего конденсатора / индуктора и последовательный индуктор или трансформатор. Этот тип фильтра часто добавляется в электрическую систему в качестве периферийного устройства к системе привода. Он должен быть настроен на индивидуальный привод.Для нескольких приводов требуется несколько фильтров.

        Активные фильтры подавления гармоник иногда называют активными стабилизаторами напряжения сети. Вместо того, чтобы блокировать или шунтировать гармонические токи, активные фильтры пытаются их кондиционировать. Активные фильтры гармоник отслеживают и определяют токи гармоник электронным способом и генерируют соответствующие формы сигналов для противодействия исходным токам гармоник (см. Врезку под заголовком «Как работают активные фильтры гармоник»). Сгенерированная форма волны вводится обратно в источник питания, чтобы нейтрализовать гармонический ток, генерируемый нагрузкой.

        В идеале электрические системы должны быть спроектированы так, чтобы не возникали гармоники. Некоторое оборудование, доступное сегодня, имеет схемы, которые могут уменьшить генерацию гармоник. Активные и пассивные фильтры могут помочь минимизировать гармоники.

        Благодарности
        Журнал PLANT ENGINEERING выражает признательность ABB, Inc .; EPRI; Rockwell Automation; Siemens Energy & Automation; и Square D / Schneider Electric за использование их материалов при подготовке этой статьи.

        Как работают активные фильтры подавления гармоник

        Типичные активные фильтры подавления гармоник используют аналоговую силовую электронику и цифровую логику для измерения и подачи тока, подавления гармоник и обеспечения реактивной мощности. При правильном выборе активные фильтры подавления гармоник могут снизить уровень гармоник ниже пределов, указанных в IEEE 519-1992, и повысить коэффициент мощности на вашем предприятии. Активные фильтры подавления гармоник подавляют гармоники, динамически подавая инвертированный (сдвиг по фазе на 180 градусов) ток в сеть переменного тока, улучшая стабильность электрической системы (рис.А).

        Как правило, активный фильтр гармоник устанавливается на линиях переменного тока параллельно нагрузкам, которые создают нарушающие гармоники (рис. B).

        Для 3-фазных, 3-проводных систем питания преобразователи тока (CT) на двух из трех фаз обеспечивают логику управления формой кривой тока непосредственно перед нагрузкой (рис. C).

        Логика активного фильтра гармоник удаляет основную частоту 60 Гц из этого сигнала. Результирующая форма волны инвертируется и используется для управления запуском биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).Этот перевернутый сигнал вводится обратно в линию переменного тока (рис. D).

        Результатом является подавление гармоник тока в вышестоящей электрической системе (рис. E). Поскольку гармоники напряжения являются результатом протекания гармоник тока через полное сопротивление источника, они также значительно уменьшаются.

        Современные активные фильтры подавления гармоник сконструированы с использованием компонентов, аналогичных тем, что используются в частотно-регулируемых приводах, включая силовые полупроводники, конденсаторы звена постоянного тока, шины и предохранители. БТИЗ используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) с соответствующей скоростью переключения.Внутренний фильтр блокирует попадание этой частоты в линии переменного тока и отделяет активный фильтр гармоник от остальной системы, поэтому вредное взаимодействие не происходит.

        Большинство активных фильтров подавления гармоник масштабируемы и могут быть настроены для управления существующим или ожидаемым гармоническим током в системе для одной или нескольких нагрузок. Номинальный выходной ток активного фильтра подавления гармоник равен квадратному корню из суммы квадратов гармонических и реактивных токов на шине. Когда общий ток гармоник превышает номинал одного активного фильтра подавления гармоник, можно параллельно установить дополнительные блоки.Активная фильтрация гармоник — лишь одно из преимуществ системы коррекции мощности.

    гармоник — S3 Energy

    Гармонические искажения Общая информация

    Общая информация — Гармонические искажения

    Важно отметить, что уровни THD (общих гармонических искажений) выше 5% могут сократить срок службы электрооборудования и внести свой вклад в другие проблемы с электроникой, такие как необъяснимые сбои на компьютерах и оборудовании и / или системах для тестирования и мониторинга.

    Эти проблемы могут иметь вредные и / или дорогостоящие последствия для общего состояния и функциональности вашей системы распределения электроэнергии и подключенного к ней оборудования.

    Чтобы помочь понять влияние и значительную роль, которую могут играть гармонические искажения, необходима небольшая информация о THD.

    Что такое гармонические искажения?

    Гармоники — это токи или напряжения с частотами, которые являются целыми числами, кратными основной частоте сети, равной 50 или 60 Гц (50 Гц для европейской мощности и 60 Гц для американской).Например, если основная частота сети составляет 60 Гц, то вторая гармоника составляет 120 Гц; третья — 180 Гц и т. д. В современном испытательном оборудовании можно измерить гармоники вплоть до 63-й гармоники. Когда преобладают гармонические частоты, электрические силовые панели и трансформаторы становятся механически резонирующими с магнитными полями, создаваемыми более высокочастотными гармониками. Когда это происходит, силовая панель или трансформатор вибрирует и издает жужжащий звук для различных частот гармоник.

    Что вызывает гармонические искажения?

    Гармоники вызваны и являются побочным продуктом современного электронного оборудования, такого как персональные или портативные компьютеры, лазерные принтеры, факсимильные аппараты, телефонные системы, стереосистемы, радиоприемники, телевизоры, приводы с регулируемой скоростью и частотно-регулируемые приводы, зарядные устройства для аккумуляторов. Источники питания и любое другое оборудование, питаемое от импульсного источника питания (SMPS). Вышеупомянутое электронное оборудование SMPS также называют нелинейными нагрузками.Эти типы нелинейных нагрузок или оборудования SMPS генерируют те самые гармоники, к которым они чувствительны и которые возникают прямо в вашем здании или объекте. Оборудование SMPS обычно формирует большую часть электрической нелинейной нагрузки в большинстве электрических распределительных систем. Существует два основных типа нелинейных нагрузок: однофазные и трехфазные. Однофазные нелинейные нагрузки распространены в современных офисных зданиях, а трехфазные нелинейные нагрузки широко распространены на фабриках и промышленных предприятиях.

    Как гармонические искажения влияют на мощность на моем предприятии?

    В современных условиях все компьютерные системы используют SMPS, которые преобразуют сетевое напряжение переменного тока в регулируемое низкое напряжение постоянного тока для внутренней электроники. Эти нелинейные источники питания потребляют ток короткими импульсами большой амплитуды. Эти импульсы тока создают значительные искажения в форме волны электрического тока и напряжения. Это называется гармоническим искажением и измеряется как полное гармоническое искажение (THD).Искажение возвращается обратно в источник питания и может повлиять на другое оборудование, подключенное к тому же источнику.

    Пример: Чтобы понять это, рассмотрим систему водяных трубопроводов. Вы когда-нибудь принимали душ, когда кто-то включает в раковину холодную воду? Вы испытываете эффект падения давления в холодной воде, уменьшая поток холодной воды. Конечный результат — обжечься! А теперь представьте, что кто-то у раковины попеременно включает и выключает холодную и горячую воду.Вы эффективно попадете под чередование холодной и горячей воды! Таким образом, производительность и функциональность душа ухудшаются из-за других систем. Этот рисунок похож на систему распределения электроэнергии с нелинейными нагрузками, генерирующими гармоники. Любое оборудование SMPS будет создавать постоянные искажения источника питания, которые вызывают нагрузку на систему распределения электроэнергии и силовое оборудование объекта.

    Какие еще эффекты помимо искажения формы синусоид напряжения и тока вызывают гармоники?

    Поскольку нелинейные нагрузки создают гармонические токи с частотами, значительно превышающими основную частоту энергосистемы, эти токи сталкиваются с гораздо более высокими импедансами , когда они распространяются по энергосистеме, чем ток основной частоты.Это связано с «скин-эффектом» , который представляет собой тенденцию протекания токов более высокой частоты вблизи поверхности проводника.

    Поскольку небольшая часть высокочастотного тока проникает далеко под поверхность проводника, основной ток использует меньшую площадь поперечного сечения. Поскольку эффективное поперечное сечение проводника уменьшается, эффективное сопротивление проводника увеличивается на . Более высокое сопротивление, с которым сталкиваются гармонические токи, приведет к значительному нагреву проводника , поскольку выделяемое тепло — или потеря мощности — в проводнике составляет I 2 R , где « I » — ток, протекающий по проводнику.Этот повышенный эффект нагрева часто наблюдается в двух отдельных частях энергосистемы: нейтральных проводниках и обмотках трансформатора.

    Типичные проблемы, вместе с вышеупомянутым перегревом в нейтральных проводниках, трансформаторах или асинхронных двигателях, включают:

    • Неисправность микропроцессорного оборудования.
    • Износ или отказ конденсаторов коррекции коэффициента мощности.
    • Неустойчивая работа выключателей и реле.
    • Выраженные магнитные поля возле трансформаторов и распределительных устройств.
    • Большие токи нагрузки в нейтральных проводах трехфазной системы. Теоретически нейтральный ток может составлять сумму всех трех фаз, что вызывает перегрев нейтральных проводов. Поскольку только фазные провода защищены автоматическими выключателями или предохранителями, это может привести к потенциальной опасности возгорания.
    • Перегрев стандартных трансформаторов электропитания, который сокращает срок службы трансформатора и в конечном итоге приведет к его выходу из строя. Когда трансформатор выходит из строя, стоимость потери производительности во время аварийного ремонта намного превышает стоимость замены самого трансформатора.
    • Высокое искажение напряжения, превышающее стандарт IEEE 1100-1992 «Рекомендуемая практика для питания и заземления чувствительного электронного оборудования» и спецификации оборудования производителя.
    • Сильноточные искажения и чрезмерное потребление тока в параллельных цепях, превышающее стандарт IEEE 1100-1992 «Рекомендуемая практика для питания и заземления чувствительного электронного оборудования» и спецификации оборудования производителя.
    • Высокое напряжение между нейтралью и землей, часто превышающее 2 В, превышающее стандарт IEEE 1100-1992 «Рекомендуемая практика для питания и заземления чувствительного электронного оборудования.”
    • Высокое напряжение и искажения тока, превышающие IEEE Std. 519-1992 «Рекомендуемая практика и требования для контроля гармоник в электроэнергетических системах».
    • Плохие условия коэффициента мощности, которые приводят к ежемесячным штрафам за коммунальные услуги для основных пользователей (фабрики, производство и промышленность) с коэффициентом мощности менее 0,9.
    • Резонанс, вызывающий скачки тока перегрузки. Для сравнения, это эквивалентно непрерывной звуковой обратной связи через систему громкой связи. Это приводит к разрушению конденсаторов и их предохранителей, а также к повреждению ограничителей перенапряжения, что приведет к отключению электрической системы.
    • Ложное срабатывание выключателей ответвления.

    Опять же, как вы можете видеть, гармонические искажения могут быть разрушительными и дорогостоящими для вашей электрической системы, оборудования и устройств, а также для прибыли вашего бизнеса.

    Подробнее

    Total Harmonic Distortion (THD) — что это такое и что он делает

    Последнее обновление 19 июня 2021 г.

    Чтобы понять тему этой статьи (THD или полное гармоническое искажение), мы должны расширить наши знания из сама основа электрической схемы.

    Базовая электрическая цепь состоит из источника напряжения и нагрузки, которая потребляет ток от источника. Эта установка работает с двумя основными электрическими величинами; ток и напряжение, которое может быть как постоянным, так и переменным.

    В случае постоянного тока или постоянного тока , ток течет только в одном направлении и имеет постоянное значение на протяжении всего времени. В переменного тока или переменного тока , ток изменяется непрерывно и циклически со временем и меняет полярность после каждого полупериода.Следовательно, значение переменного тока с течением времени может быть отображено в виде формы волны, чаще всего синусоидальной волны .

    Однако в электронике мы никогда не сможем получить чисто синусоидальную волну. Каждая волна имеет своего рода помехи, искажающие ее исходную форму волны. Эти искажения объясняются с помощью коэффициента общих гармонических искажений (THD) .

    Что такое гармоники?

    Гармоника — это синусоидальная составляющая несинусоидальной волны (например, «реальная» форма волны переменного тока с частотой, которая является целым кратным основной частоты.Другими словами, они являются составляющими результирующей волны, которая обуславливает ее несинусоидальную форму.

    Гармоника, частота которой точно равна исходной частоте волны, называется основной гармоникой , а ее частота называется основной частотой .

    Гармоника, частота которой в n раз превышает основную частоту, называется гармоникой n-го порядка.

    Например, волна с основной частотой 60 Гц будет иметь 2-ю гармонику
    120 Гц, 3-ю гармонику 180 Гц, 4-ю гармонику 240 Гц и так далее.

    Гармонические составляющие основной волны

    Гармонические составляющие присутствуют в системе на частотах, кратных основной частоте. Каждый компонент вносит свой вклад в искажение исходной формы волны. Суммарное влияние этих гармоник на исходную форму волны обозначается как Total Harmonic Distortion (THD).

    Определение полного гармонического искажения (THD)

    Общее гармоническое искажение (THD) — это степень искажения формы сигнала тока или напряжения.Математически это отношение суммы значений всех гармонических составляющих к значению на основной частоте, выраженное в процентах.

    Как гармоники изменяют форму волны?

    Гармоники — это синусоидальные волны с частотами, кратными основной частоте, которые могут взаимодействовать с исходной синусоидальной волной. Когда две или более волны взаимодействуют, они претерпевают явление, называемое интерференцией .

    Помехи

    Когда две или более волны взаимодействуют, они накладываются друг на друга, образуя результирующую волну с большей, меньшей или одинаковой амплитудой.Это явление называется интерференцией .

    Волновая интерференция (открывается в новой вкладке) бывает двух типов; конструктивная интерференция и деструктивная интерференция.

    Конструктивная интерференция

    Конструктивная интерференция (источник)

    Рассмотрим две идентичные волны, которые полностью синфазны друг с другом.

    Это означает, что гребни одного попадают на гребни другого, а впадины одного падают на впадины другого.

    К величине обеих волн прибавляется .Таким образом, результирующая волна имеет большую амплитуду, чем две отдельные волны.

    Деструктивная помеха

    Деструктивная помеха (источник)

    Рассмотрим две идентичные волны, которые полностью не совпадают по фазе друг с другом. Это означает, что гребни одного попадают во впадины другого, а впадины одного — на гребни другого.

    Вычитаем величину обеих волн . Таким образом, результирующая волна имеет меньшую амплитуду, чем отдельные волны.

    На практике чисто конструктивное или деструктивное вмешательство очень маловероятно. Таким образом, результатом волновых взаимодействий является сочетание конструктивных и деструктивных помех.

    Каждая волна имеет несколько гармоник. Некоторые из них синфазны, а некоторые не совпадают по фазе с исходной формой сигнала. Точки, в которых гармоники синфазны с исходной волной, конструктивно складываются. И точки, в которых гармоники не совпадают по фазе с исходной волной, деструктивно суммируются.

    Таким образом, получается искаженная несинусоидальная волна.

    Волновые искажения, вызванные гармониками

    Почему возникают гармоники?

    В электрической системе присутствует двух типов гармоник ; Гармоники тока и гармоники напряжения. Мы обсудим каждую из них по очереди.

    Гармоники тока

    Сигнал переменного тока в энергосистеме практически идеален. Форма волны изменяется всякий раз, когда к системе подключается нагрузка.Как правило, существует два типа нагрузки; линейные нагрузки и нелинейные нагрузки.

    Нагрузки, потребляющие ток синусоидальной формы, называются линейными нагрузками . Ток в любой момент пропорционален приложенному напряжению. например нагреватели, лампы накаливания и т. д.

    Нагрузки, потребляющие ток несинусоидальной формы, называются нелинейными нагрузками . например компьютеры, принтеры, микропроцессоры, флуоресцентные лампы и т. д.

    Эти нелинейные нагрузки ответственны за искажение исходной формы волны тока.Гармонические составляющие искаженного сигнала тока называются гармониками тока .

    Гармоники напряжения

    Гармоники тока, в свою очередь, отвечают за гармоники напряжения. Однако влияние гармоник напряжения зависит от импеданса (сопротивления) между источником напряжения и нагрузкой.

    Согласно закону Ома (открывается в новой вкладке) ток, протекающий через резистор, вызывает падение напряжения. Это падение напряжения всегда пропорционально току.Поскольку ток не является синусоидальным, падение напряжения также будет несинусоидальным.

    Таким образом, форма сигнала напряжения искажается. Гармонические составляющие этого искаженного сигнала напряжения называются гармониками напряжения , которые пропорциональны импедансу.

    Влияние гармоник

    1. Потери в трансформаторе

    Потери мощности в трансформаторе влияют на общую эффективность энергосистемы. Поэтому их обслуживание имеет большое значение.

    Потеря гистерезиса: Потеря гистерезиса (открывается в новой вкладке) из-за постоянного намагничивания и размагничивания сердечника трансформатора. Это происходит из-за того, что источник переменного тока меняет свое направление после каждого полупериода.

    Потери на вихревые токи: Потери на вихревые токи (открывается в новой вкладке) возникают из-за циркулирующих токов в сердечнике трансформатора. Эти циркулирующие токи возникают из-за утечки магнитного потока в сердечнике.

    Гистерезис и потери на вихревые токи зависят от частоты питания.Потери на гистерезис линейно зависят от частоты. В то же время вихревые токи меняются пропорционально квадрату частоты.

    Поскольку гармоники высшего порядка имеют очень высокую частоту, они увеличивают гистерезис и потери на вихревые токи.

    2. Потери двигателя и вибрации

    Двигатели, как и трансформаторы, также подвержены влиянию гармоник. Влияние гистерезиса и вихревых токов на двигатель такое же, как и в трансформаторе. Обе эти потери возникают в железном сердечнике двигателя.Эти потери увеличиваются из-за наличия высших гармоник.

    Гармоники прямой последовательности создают магнитное поле и ток в том же направлении, что и основное напряжение. В то время как гармоники обратной последовательности развивают магнитное поле и ток в противоположном направлении.

    Взаимодействие между этими гармониками прямой и обратной последовательности приводит к сильным вибрациям. В некоторых случаях эти вибрации могут даже повредить вал двигателя.

    3. Несбалансированные нейтральные токи

    В трехфазной системе питания ток в каждой фазе одинаков по величине, но имеет фазовый сдвиг 120 °.В идеале токи в трех фазах в сумме равны «нулю». Это означает, что нейтральный провод не пропускает ток.

    Но из-за наличия гармоник ток не сводится к нулю. В этом случае нейтральный провод будет пропускать ток. Этот нейтральный ток крайне нежелателен в энергосистеме.

    Кроме того, нейтральный провод обычно имеет небольшой диаметр и, в свою очередь, меньшую токонесущую способность. В этом случае ток нейтрали также вызовет перегрев нейтрального провода.

    4. Скин-эффект

    Связь скин-эффекта с частотой
    Источник: allaboutcircuits.com

    Скин-эффект (открывается в новой вкладке) — это сценарий, при котором ток течет не через весь проводник, а только через его крайний край. часть. Таким образом уменьшается полезная площадь проводника.

    Скин-эффект возникает из-за распределения потока в проводнике. Плотность потока больше в центре и меньше у краев проводника. Естественная тенденция тока — течь через область с более низкой плотностью потока.Таким образом, ток движется к краям проводника.

    Плотность потока прямо пропорциональна частоте питания. Поскольку гармоники более высокого порядка имеют высокую частоту, также увеличивается плотность потока. Увеличение плотности потока дополнительно уменьшает площадь, по которой протекает ток.

    5. Повреждение чувствительного электронного оборудования

    Электронное оборудование по своей природе является нелинейной нагрузкой и, таким образом, несет ответственность за создание гармоник, которые отрицательно влияют на энергосистему.Напротив, гармоники также негативно влияют на электронное оборудование.

    Стандарт IEEE 519-2014 (открывается в новой вкладке) содержит рекомендации по допустимому пределу гармонических искажений для электронного оборудования. Согласно статье, компьютеры и сопутствующее оборудование, такое как программируемые контроллеры, обычно требуют источников переменного тока с коэффициентом искажения гармонического напряжения не более 5%, при этом самая большая одиночная гармоника составляет не более 3% от основного напряжения.

    Гармоники, превышающие допустимый предел, могут вызвать неисправность электронного оборудования.Более высокий процент гармонических искажений может привести к сгоранию даже чувствительных компонентов.

    Еще одно явление, вызванное гармониками, — это снижение напряжения (открывается в новой вкладке). Падения напряжения также могут вызвать неисправность чувствительного электронного оборудования.

    Гармоники в портативном инверторном генераторе

    Для более детального понимания концепции чистой энергии (синусоидальной, не путать с зеленой энергией), давайте сравним портативные инверторные генераторы и обычные генераторы с точки зрения THD (Total Harmonic Distortion ) произведено.

    Гармонические искажения в обычных генераторах обычно находятся в диапазоне 9–10%. Для некоторых генераторов он может быть даже выше (производители часто говорят «менее 25%», так как это также зависит от нагрузки). Из-за таких сильных искажений эти генераторы не подходят для схем, содержащих компьютеры, ноутбуки, телевизоры и другое чувствительное электронное оборудование.

    В противоположность этому, искажения портативного инверторного генератора находятся в диапазоне 3–5%, иногда даже ниже.Этот диапазон находится в допустимых пределах стандарта IEEE 519-2014. Следовательно, электричество, вырабатываемое портативными инверторными генераторами, безопасно (чисто) для компьютеров, ноутбуков, телевизоров и т.д. линейный. Следовательно, хотя эти гармоники нежелательны, они все равно будут присутствовать в энергосистеме.

    Однако эти гармоники не вызовут проблем, если уровень искажений находится в допустимых пределах.См. IEEE std 519-2014 для получения подробной информации о допустимых пределах для различных видов нагрузок.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *