Vzroki za pojav višjih harmonikov v sodobnih elektroenergetskih sistemih

Električna oprema sodobnega sveta postaja vse bolj kompleksna, še posebej za IT tehnologije. Zaradi tega trenda morajo sistemi za zagotavljanje kakovosti električne energije izpolnjevati te zahteve: enostavno morajo prenašati nihanja, prenapetosti, padce napetosti, hrup, impulzni šum itd., tako da lahko industrijsko omrežje in z njim povezani uporabniki normalno delujejo.

Preoblikovanje omrežne napetosti zaradi harmonikov, ki jih povzročajo nelinearne obremenitve, je eden glavnih problemov, ki jih je treba rešiti. V tem članku si bomo podrobneje ogledali vidike tega problema.

Kaj je bistvo problema

Glavni delež trenutne pisarniške opreme, računalnikov, pisarniške, multimedijske opreme so na splošno nelinearni bremeni, ki v velikih količinah povezani v skupno električno omrežje izkrivljajo obliko omrežne napetosti.

To izkrivljeno napetost boleče zaznavajo druge električne naprave in včasih močno moti njihovo normalno delovanje: povzroča okvare, pregrevanje, prekine sinhronizacijo, povzroča motnje v omrežjih za prenos podatkov, — na splošno lahko nesinusna izmenična napetost povzroči celo vrsto opreme. , procesov in neprijetnosti za ljudi, vključno z materialnimi.

Popačenje napetosti kot tako je opisano s parom koeficientov: sinusnim faktorjem, ki odraža razmerje med efektivno vrednostjo višjih harmonikov in efektivno vrednostjo osnovnega harmonika omrežne napetosti, in faktorjem vrha obremenitve, ki je enak razmerje med porabo koničnega toka in efektivnim tokom obremenitve.

Zakaj so višji harmoniki nevarni?

Učinke, ki jih povzroči manifestacija višjih harmonikov, lahko glede na trajanje izpostavljenosti razdelimo na takojšnje in dolgoročne. Običajno je omeniti takojšnje: popačenje oblike napajalne napetosti, padec napetosti v distribucijskem omrežju, harmonične učinke vključno s harmonično frekvenčno resonanco, škodljive motnje v omrežjih za prenos podatkov, hrup v akustičnem območju, vibracije strojev. Dolgoročne težave so: prevelike toplotne izgube v generatorjih in transformatorjih, pregrevanje kondenzatorjev in razdelilnih omrežij (žic).

Harmoniki in oblika omrežne napetosti

Znatni konični tokovi na polovici sinusnega vala omrežja vodijo do povečanja faktorja vrha.Višji in krajši kot je vršni tok, močnejše je popačenje, medtem ko je faktor glavnika odvisen od zmogljivosti vira energije, od njegovega notranjega upora - ali je sposoben oddajati tolikšen vršni tok. Nekateri viri morajo biti precenjeni glede na njihovo nazivno moč, na primer v generatorjih je treba uporabiti posebna navitja.

Toda brezprekinitveni napajalniki (UPS) se veliko bolje spopadajo s to težavo: zaradi dvojne pretvorbe lahko v vsakem trenutku nadzorujejo obremenitveni tok in ga regulirajo s pomočjo PWM, ki se izogne ​​težavam zaradi visokega koeficienta glavnika toka. . Z drugimi besedami, visok vršni faktor ni problem za kakovosten UPS.

Višji harmoniki in padec napetosti

Kot je omenjeno zgoraj, UPS-ji dobro prenašajo visoke faktorje vrha in njihovo popačenje valov ne presega 6 %. Povezovalne žice tukaj praviloma niso pomembne, so precej kratke. Toda zaradi obilice harmonikov v omrežni napetosti bo trenutna valovna oblika odstopala od sinusne, zlasti za čudne visokofrekvenčne harmonike, ki jih uvajajo enofazni in trifazni usmerniki (glejte sliko).

Kompleksna impedanca distribucijskega omrežja je običajno induktivna narava, zato bodo tokovni harmoniki v velikih količinah povzročili znatne padce napetosti na daljnovodih dolžine 100 metrov, ti padci pa lahko presežejo dovoljene, zaradi česar bo oblika napetosti na bremenu popačena.

Kot primer si oglejte, kako se izhodni tok enofaznega diodnega usmernika spreminja pri različnih impedancah omrežja, odvisno od upora vhodnega filtra napajane naprave z vhodom brez transformatorja, in kako to vpliva na valovno obliko napetosti.

Problem harmonskih mnogokratnikov terce

Tretji, deveti, petnajsti itd. — za višje harmonike omrežnega toka so značilni visoki koeficienti amplitude. Ti harmoniki izhajajo iz enofaznih obremenitev in njihov učinek na trifazne sisteme je precej specifičen. če trifazni sistem je simetričen, tokovi so med seboj zamaknjeni za 120 stopinj, skupni tok v nevtralni žici pa je enak nič, - ni padca napetosti na žici.

To v teoriji velja za večino harmonikov, vendar je za nekatere harmonike značilno vrtenje tokovnega vektorja v isto smer kot tokovni vektor osnovnega harmonika. Posledično se v nevtralnem neparni harmoniki, ki so večkratniki terce, prekrivajo drug drugega. In ker so ti harmoniki v večini, lahko skupni nevtralni tok preseže fazne tokove: recimo, fazni tokovi 20 amperov bodo dali nevtralni tok s frekvenco 150 Hz pri 30 amperih.

Kabel, zasnovan brez upoštevanja vpliva harmonikov, se lahko pregreje, ker bi moral biti po mnenju uma povečan njegov presek. Harmonični mnogokratniki tretjine so v trifaznem vezju zamaknjeni za 360 stopinj glede na drugega.

Resonanca, motnje, hrup, vibracije, ogrevanje

Distribucijska omrežja imajo nevarnost resonance pri višjih tokovnih ali napetostnih harmonikih se v teh primerih izkaže, da je harmonična komponenta višja od osnovne frekvence, kar negativno vpliva na sistemske komponente in opremo.

Omrežja za prenos podatkov, ki se nahajajo v bližini daljnovodov, po katerih tečejo tokovi z višjimi harmoniki, so podvržena motnjam, informacijski signal v njih se poslabša, krajša kot je razdalja od voda do omrežja, večja je dolžina njihove povezave, višja je harmonska frekvenca — večje je popačenje informacijskega signala.

Transformatorji in dušilke začnejo povzročati večji hrup zaradi višjih harmonikov, elektromotorji doživljajo nihanje magnetnega pretoka, posledično navorne vibracije na gredi. Električni stroji in transformatorji se pregrevajo in prihaja do toplotnih izgub. V kondenzatorjih se kot dielektrične izgube poveča s frekvenco, ki je višja od mreže, in se začnejo pregrevati, lahko pride do razpada dielektrika. O izgubah v vodih zaradi povečanja njihove temperature je odveč govoriti ...