Что такое гармоника в электротехнике: Гармоники тока и напряжения в электросетях

Гармоники тока и напряжения в электросетях

Проблема гармоник….

Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети. Если вы сталкиваетесь с таким оборудованием или имеете опыт работы в сетях с гармониками, тогда дроссели с конденсаторами или фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) могут прийти вам на помощь. Гармонические искажения  и связанные с этим проблемы в электрических сетях, становятся все более превалирующими в распределительных сетях.

Проблемы создаваемые гармониками.

• дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т.п.;

• ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;

• наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;

• гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;

• повреждение чувствительного электронного оборудования;

• интерференция систем коммуникации.

Следующие разделы являются описанием гармоник, характеризацией проблемы и поиском решения.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников.

Сейчас, широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска пришедшие на смену устаревшим устройствам изменили картину формы тока и напряжения в электросетях. Хотя твердотельные реле, такие как тиристоры привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они, также, создали проблему генерации гармоник тока. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать косинусные конденсаторы служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты, снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него).

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты.

2. Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы)

3. Насыщаемые устройства: Трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах являются обычно незначительна по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии что насыщение не происходит.

Форма синусоиды тока

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся  с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (т.е 1-я гармоника=50 Гц, 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена  на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Переходные возмущения обычно решаются путем установки подавляющих или разделяющих (изолирующих) устройств, таких как импульсных конденсаторов, изолирующих (разделяющих) трансформаторов. Эти устройства помогают устранить переходные возмущения, но они не помогают устранить гармоники низких порядков или устранить проблемы резонанса в связи с присутствием гармоник в сети.

Гармоническое содержание синусоиды

Тиристоры и SCR выпрямители обычно проявляются числом пульсаций постоянного тока которые они производят каждый период. Обычно это 6-и или 12-пульсные выпрямители. Есть много факторов, которые могут влиять на гармоническое содержание, но типичные гармонические токи, показанные как процент от фундаментального тока 50 Гц, показаны в таблице. Другие номера гармоник также будут присутствовать, в небольшой степени, но из практических соображений они не приводятся.

Разложение формы кривой тока на гармонические составляющие

Перегрузка конденсаторов гармониками

Согласно закону Ома сопротивление цепи определяет протекающий по ней ток. Так как сопротивление источника энергии является индуктивным, кроме того, импеданс сети увеличивается с частотой, в то время как сопротивление конденсатора с ростом частоты уменьшается. Это вызывает рост тока через конденсаторы и оборудование содержащее их. При определенных обстоятельствах, гармонические потоки могут превысить ток фундаментальной гармоники 50 Гц протекающей через конденсатор. Эти гармонические проблемы могут также вызвать увеличение напряжения на конденсаторе, которое может превысить максимально допустимое значение и привести к пробою конденсатора.

Гармонический резонанс

Резонанс в сети достигается когда сопротивление конденсатора равно сопротивлению источника. Когда мы применяем конденсаторы для компенсации реактивной мощности в распределительных сетях, которые содержат и емкостную и индуктивную (индуктивность линии, силовых трансформаторов) составляющую, всегда существует частота на которой возможно явление параллельного резонанса конденсатора с источником.

Если это происходит, или частота близка к частоте резонанса, то гармоники генерируемые силовыми полупроводниками (большие токи гармоник) начинают циркулировать между генерирующей сетью  и конденсаторным оборудованием. Эти токи ограничиваются только сопротивлением линии. Такие токи приводят к возмущениям и искажениям напряжения в сети. Как результат: повышенное напряжение на конденсаторах, и повышенный ток через них, Резонанс может произойти на любой частоте, но в основном это 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники которые генерируются 6-пульсными системами выпрямления трехфазного напряжения.

Предотвращение резонанса в электросетях

Есть несколько путей, чтобы избежать явлений резонанса в распределительных сетях где установлены конденсаторы. В больших распределительных сетях, есть возможность установки их в части сети, которая не имеет параллельного резонанса с индуктивностью трансформатора. Изменяя выходную мощность конденсаторной установки, мы можем отстроиться от опасной резонансной частоты. Резонансная частота с включением каждого шага конденсаторной установки изменяется.

Резонансные явления при использовании конденсаторов в электросетях с нелинейными потребителями

Сдвиг резонансной частоты

Если резонанса нельзя избежать вышеприведенным методом, необходимо альтернативное решение. Последовательно с каждым конденсатором ставится реактор (трехфазный дроссель)  таким образом, чтобы система конденсатор-дроссель имела индуктивный характер на критических частотах, и емкостной характер на основной частоте 50 Гц. Для этого система конденсатор-дроссель должна иметь резонансную частоту ниже наименьшего частоты гармоники присутствующей в сети, которая обычно бывает 5-ой (250 Гц). Это означает, что частота настройки системы конденсатор дроссель д.б. между значениями 175…270 Гц. В системе конденсатор дроссель напряжение основной частоты на дросселе повышается, соответственной мы должны использовать конденсаторы на повышенное напряжение.

Снижение гармонических искажений

Гармонические искажения могут подавляться в электрических системах при использовании гармонических фильтров. В классическом виде фильтр представляет собой последовательно соединенные конденсатор и индуктивность и настроенные на определенную гармоническую частоту. В теории сопротивление фильтра равно нулю на частоте резонанса, поэтому гармонический ток абсорбируется фильтром. Этот эффект вместе с сопротивлением линии означает, что таким образом можно хорошо подавлять гармоники в сети.

Типы фильтров гармоник

Эффективность фильтра любой формы зависит от его реактивной мощности, точности настройки, и импеданса сети в точке подключения. Гармоники ниже частоты резонанса фильтра будут усиливаться. Схемотехника фильтра важна, чтобы быть уверенным в том что искажения не будут усиливаться до неприемлемых уровней. Когда несколько различных порядков гармоник присутствуют в сети мы можем подавлять одни в то же время усиливая другие. Фильтр 7-ой гармоники создает параллельный резонанс на частоте 5-ой и усиливает ее, поэтому к фильтру 7-ой гармоники необходим фильтр 5-ой гармоники. Поэтому часто необходимо использовать несколько фильтров, настроенных каждый на свою частоту.

Анализ и измерение гармоник в сети

Прежде чем приступать к внедрению конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности на предприятии, а также фильтров гармоник необходимо провести всесторонние измерения параметров сети: активную реактивную, полную мощность, величину и уровни  гармоник тока и напряжения, провалы и перенапряжения в линии, фликкер. Для этих целей компания Матик электро имеет в своем штате профессиональных инженеров с анализаторами сети и ноутбуками для обработки информации на месте съема. Мы проводим выездные измерения по всей России, предоставляем отчет и рекомендации с последующим внедрением энергосберегающего оборудования (конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности) и фильтров гармоник.

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 i_ps, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая i_n. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов i_ahc 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

Что такое гармоники и как они «появляются»?

С практической точки зрения, причина, по которой гармоники «появляются», заключается в том, что схемы линейной фильтрации (а также множество схем нелинейной фильтрации), предназначенные для обнаружения определенных частот, будут воспринимать определенные низкочастотные сигналы как интересующие их частоты. Чтобы понять почему, представьте себе большую пружину с очень тяжелым весом, которая прикреплена к рукоятке через довольно свободную пружину. Вытягивание за ручку не будет сильно перемещать тяжелый груз напрямую, но большая пружина и груз будут иметь определенную резонансную частоту, и если вы будете перемещать ручку назад и вперед на этой частоте, вы можете добавить энергию к большому весу и пружине. увеличивая амплитуду колебаний до тех пор, пока она не станет намного больше, чем можно было бы произвести «напрямую», потянув за свободную пружину.

Наиболее эффективный способ передачи энергии в большую пружину — это вытягивание плавного рисунка, соответствующего синусоиде — того же рисунка движения, что и у большой пружины. Другие модели движения будут работать, однако. Если перемещать ручку по другим схемам, часть энергии, которая поступает в узел с пружинным грузом во время частей цикла, будет отводиться во время других. В качестве простого примера, предположим, что человек просто заклинивает рукоятку до крайних концов хода со скоростью, соответствующей резонансной частоте (эквивалентной прямоугольной волне). Перемещение рукоятки от одного конца к другому так же, как вес достигает конца хода, потребует намного больше работы, чем ожидание того, чтобы вес сначала сдвинулся назад, но если в этот момент рукоять не переместится, пружина на ручке будет бороться с весом » Попытка вернуться в центр. Тем не менее, четкое перемещение ручки из одного крайнего положения в другое, тем не менее, будет работать.

Предположим, что весу требуется одна секунда, чтобы качаться слева направо, и еще одна секунда, чтобы качаться назад. Теперь рассмотрим, что случится, если один переместит ручку из одного крайнего движения в другое, которое раньше, но задержится на три секунды с каждой стороны вместо одной секунды. Каждый раз, когда кто-то перемещает рукоятку из одной крайности в другую, вес и пружина будут по существу иметь то же положение и скорость, что и две секунды ранее. Следовательно, к ним будет добавлено столько энергии, сколько было бы за две секунды до этого. С другой стороны, такое прибавление энергии будет происходить только на треть чаще, чем когда «задержка времени» составляла всего одну секунду. Таким образом, перемещение рукоятки назад и вперед с частотой 1/6 Гц добавит к весу в три раза больше энергии в минуту, чем при перемещении рукоятки назад и вперед с частотой 1/2 Гц. Подобное происходит, если перемещать рукоятку назад и вперед на 1/10 Гц, но, поскольку движения будут на 1/5 так же часто, как на 1/2 Гц, мощность будет 1/5.

Теперь предположим, что вместо того, чтобы время задержки было нечетным кратным, каждый делает его четным (например, две секунды). В этом сценарии положение веса и пружины для каждого движения слева направо будет таким же, как и его положение при следующем движении справа налево. Следовательно, если ручка добавляет энергию к пружине в первой, такая энергия будет по существу отменена последней. Следовательно, весна не будет двигаться.

Если вместо того, чтобы совершать экстремальные движения с рукояткой, ее перемещают более плавно, то при более низких частотах движения рукоятки может быть больше раз, когда кто-то борется с движением комбинации вес / пружина. Если перемещать рукоятку в форме синусоидальной волны, но на частоте, существенно отличающейся от резонансной частоты системы, энергия, передаваемая в систему при нажатии «правильного» пути, будет довольно хорошо уравновешена принимаемой энергией. выход из системы толкает «неправильный» путь. Другие модели движения, которые не так экстремальны, как прямоугольная волна, будут, по крайней мере, на некоторых частотах, передавать в систему больше энергии, чем вынимается.

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:

Анализ качества электроэнергии в распределительных сетях АПК Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 628.931 Н.П. Боярская, В.П. Довгун,

С.А. Темербаев, С.Н. Шахматов АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ АПК

В статье приведены результаты анализа гармонического состава токов и напряжений в сетях предприятий АПК центральных районов Красноярского края. Измерения показывают, что показатели качества электроэнергии обследованных потребителей в основном соответствуют требованиям ГОСТ 13109-97.

Установлено что, увеличение доли нелинейных нагрузок, вызванное использованием энергосберегающих технологий, приведет к увеличению уровня высших гармоник в спектрах токов и напряжений.

Ключевые слова: электроэнергия, качество, нелинейная нагрузка, гармонические искажения, распределительные сети, агропромышленный сектор.

N.P. Boyarskaya, V.P. Dovgun,

S.A. Temerbaev, S.N. Shakhmatov

ELECTRIC POWER QUALITY ANALYSIS IN THE AIC DISTRIBUTION NETWORKS

The analysis results of current and voltage harmonic composition in the AIC enterprise networks in the Krasnoyarsk region central parts are given in the article. The changes show that electric power quality indicators of the researched power users mostly meet the ГОСТ 13109-97 standards.

It is determined that nonlinear load share increase which is caused by energy-saving technology use will cause the higher harmonic level increase in the spectrum of current and voltage.

Key words: electric power, quality, nonlinear load, harmonious distortions, distributive networks, agroindustrial sector.

Введение. Характерной особенностью современных систем электроснабжения является увеличение числа потребителей с нелинейными вольт-амперными характеристиками, создающих при своей работе токи несинусоидальной формы. Эти токи можно представить в виде суммы гармоник с частотами, кратными основной частоте питающей сети.

Высокий уровень содержания гармоник отрицательно влияет на эффективность работы промышленного электрооборудования, вычислительной техники, бытовых приборов, приводит к увеличению потерь электроэнергии, вызывает ускоренное старение изоляции. В связи с этим вопросам компенсации высших гармоник в электрических сетях уделяется все большее внимание.

Проблеме компенсации высших гармоник посвящено значительное количество публикаций отечественных и зарубежных авторов [1-4]. Однако в большинстве работ рассматривается влияние на качество электроэнергии крупных промышленных потребителей. Основным видом нелинейных нагрузок у таких потребителей являются многопульсные выпрямители с индуктивными сглаживающими фильтрами.

Несинусоидальные режимы в сетях, снабжающих электроэнергией предприятия АПК, подробно не изучались. Особенности сельских электрических сетей — большая протяженность ЛЭП, малые мощности короткого замыкания питающей сети. Ухудшению качества электроэнергии способствует появление многочисленных распределенных нелинейных нагрузок небольшой мощности, вызванное развитием энергосберегающих технологий, использованием возобновляемых источников энергии, быстрым распространением компьютерной и офисной техники.

В статье приведены результаты измерений качества электроэнергии, выполненные на предприятиях АПК, расположенных в центральных районах Красноярского края. Проведен анализ качества электроэнергии на соответствие требованиям ГОСТ 13109-97 [6].

Методика проведения измерений. Измерения основных показателей качества электроэнергии, а также гармонических составляющих тока и напряжения проводились при помощи анализатора качества электроэнергии РМ175 ЭЛТЕС. Внешний вид прибора показан на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид прибора

Прибор позволяет измерять прямые показатели качества электрической энергии по методике ГОСТ13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». В процессе работы РМ175 ведется специальный журнал, в котором фиксируются все события, связанные с превышением каким-либо показателем его предельно допустимого значения по ГОСТ 13109-97.

Электрическая схема подключения аналогична схеме подключения обычного трехфазного счетчика. Прибор подключался по схеме четырехпроводного соединения звездой с использованием трех трансформаторов тока (рис. 2).

Рис. 2. Схема подключения

В комплекте с прибором РМ175 поставляется программа РЛЭ для настройки прибора, мониторинга показателей качества электроэнергии и параметров сети в режиме реального времени, сбора данных и формирования отчетов.-\оо,

А

где /(и), — действующие значения п-й гармонической составляющей тока и напряжения;

I, и — действующие значения тока и напряжения основной частоты.

Прибор был настроен на запись значений коэффициентов п-й гармонической составляющей (с 1 до 16) тока и напряжения по каждой фазе с интервалом времени 3 с. Кроме коэффициентов отдельных гармоник прибор осуществлял измерение и запись коэффициента искажения синусоидальности кривых тока и напряжения с интервалом времени 1 мин. В соответствии с методикой ГОСТ13109-97 вычисление коэффициентов искажения синусоидальности кривых напряжения и тока производится по формулам:

Ки =

40

(л)

=4° -100,

К; =

40

14

я-40

I,

•100.

Как правило, измерения качества электроэнергии у потребителей проводились в течение 24 ч.

Результаты измерений. Приведем результаты измерений, проведенных на предприятиях АПК.

Цех по переработке молока. Цех подключен к отдельной трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ. Мощность трансформатора 630 кВА. Установленная мощность электроприемников составляет 430 кВт. Самой крупной нагрузкой является парогенератор мощностью 200 кВт. Мощность осветительной нагрузки невелика.

Цех работает в одну смену. В ночное время основной нагрузкой являются приводы холодильников и кондиционеров, а также дежурное освещение. Загрузка цеха имеет сезонный характер. Замеры были проведены в июле, когда загрузка цеха максимальная.

На рисунках 3-5 приведены графики относительных значений (в процентах к 1 -й гармонике) токов третьей, пятой и седьмой гармоник совместно с током нагрузки. Так как нагрузки по фазам симметричны, то приводятся данные только для фазы А.

Для гармонического состава напряжений доминирующими являются 5-я и 11-я гармоники вне зависимости от времени. Вероятно, наличие 15-й гармоники в спектрах напряжения и тока обусловлено влиянием мощных нелинейных нагрузок крупных промышленных предприятий.

1а(1) 1

|а(3)—‘ 1~“- 1

Рис. 3. Цех по переработке молока: 1-я и 3-я гармоники тока фазы А

Рис. 4. Цех по переработке молока: 1-я и 5-я гармоники тока фазы А

п

1а(11) 1

1а(1) і і і

12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00

Рис. 5. Цех по переработке молока: 1-я и 11-я гармоники тока фазы А

На рисунке 6 представлены графики изменения коэффициентов несинусоидальности токов и напряжений для фазы А питающего напряжения.

12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00

Рис. 6. Цех по переработке молока. Коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока

и напряжения (фаза А)

На рисунках 7, 8 показаны спектры средних значений гармоник токов и напряжений в фазах А, В, С в рабочее время.

Результаты измерений показывают, что уровень гармоник для напряжений и токов существенно различается. Наибольшие значения имеют токи третьей гармоники, а для напряжений — пятой и одиннадцатой гармоник.

= 1=1 1=1 і. В С

— 2\ 1п

*- Л

■ 1

— — 11

1 ІІ 1 А ш г 1 ■ТІ — X ВПП — -я .

2 Э л 6 6 Т З Ї 11) 11 12 13 и 15 16

Рис. 7. Цех по переработке молока. Спектральный состав токов в дневное время

л ! 1 1 □е

г

Л 1

.г ■г 1п . _ .1 7 II и 1 10 1 — 1 12 С . 1 1ПП 11 И 15 16

Рис. 8. Цех по переработке молока. Спектральный состав напряжений в дневное время

Птицефабрика. Предприятие энергоемкое, поэтому питание потребителей осуществляется от нескольких трансформаторных подстанций 10/0.4 кВ различной мощности.

Измерения проводились на двух трансформаторных подстанциях. К первой ТП подключены птичники, инкубатор, ветеринарный блок и электроцех. Установленная мощность трансформатора — 400 кВА. Общая нагрузка по фазам на момент измерений составила: фаза А — 220А, фаза В — 221А, фаза С — 226А. Обогрев птичников и инкубатора осуществляется от газовой котельной, поэтому основными электрическими нагрузками являются освещение помещений, вентиляция и наружное освещение. Освещение помещений птичников осуществляется с помощью ламп накаливания. Для регулирования освещенности используются тиристорные светорегуляторы с ручным управлением (выпуска 70-80 годов ХХ в). Загрузка трансформаторной подстанции зависит от этапа доращивания птицы.

На рисунках 9-11 показаны графики изменения относительных значений токов третьей, пятой и седьмой гармоник совместно с током нагрузки. Нагрузка на всех фазах практически симметрична, потому приводятся графики только для одной фазы — В.

Для гармонического состава токов характерно проявление 3-, 5- и 7-й гармоник — как следствие работы тиристорных регуляторов. Для гармонического состава напряжений доминирующими являются 5-я и 11-я гармоники вне зависимости от времени суток.

12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18300

Рис. 10. Птицефабрика, 1-я ТП. 1-я и 5-я гармоники токов, фаза В

Рис. 11. Птицефабрика, 1-я ТП. 1-я и 7-я гармоники токов, фаза В

Рис. 12. Птицефабрика, 1-я ТП. Коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока и напряжения

Рис. 14. Птицефабрика, 1-я ТП. Спектральный состав напряжений в ночное время

К подстанции 2 подключены новые птичники, построенные в 2004-2006 годах, в которых используется энергосберегающее оборудование и частично — энергосберегающие осветительные приборы. Установленная мощность трансформатора — 400 кВА. На момент измерений нагрузка по фазам составляла: фаза А -17,8А, фаза В — 21,7А, фаза С — 23,5А. Основными электрическими нагрузками являются освещение помещений, вентиляция и наружное освещение. Предусмотрен локальный электрообогрев птичников, но измерения проводились в августе, обогрев еще не включался.

На рисунках 15, 16 показаны графики изменения относительных значений токов третьей и пятой гармоник совместно с током нагрузки.

» I I I I I I I I I I «‘

Результаты измерений показывают, что на подстанции 2 относительный уровень 3-й и 5-й гармоник значительно выше, чем на подстанции 1. Кроме того, наблюдается существенная несимметрия загрузки фаз. Из графиков ясно видно, что в рабочее время несинусоидальность токов значительно возрастает. Это означает, что работающее оборудование является источником высших гармонических составляющих. На рисунке 17 показан график изменения коэффициента несинусоидальности для фазы С — именно для этой фазы не-синусоидальность выражена наиболее ярко.

Таким образом, модернизация оборудования и переход на энергосберегающие технологии могут привести к ухудшению качества электроэнергии.

Спектры гармоник токов и напряжений показаны на рисунках 18, 19.

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00

Рис. 16. Птицефабрика, 2-я ТП. 1-я и 5-я гармоники токов по фазам

00:00:00 02:00:00 04:00:00 06:00:00 08:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 00:00:00

Рис. 17. Птицефабрика, 2-я ТП. коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока

и напряжения фазы С

Рис. 18. Птицефабрика, 2-я ТП. Спектральный состав токов в рабочее время

Рис.19. Птицефабрика, 2-я ТП. Спектральный состав напряжений в рабочее время

Коттеджный поселок. Питание жилых домов осуществляется от подстанции 10/0,4 кВ. Мощность трансформатора 1000 кВА. Для таких потребителей характерен распределенный характер преимущественно однофазной нагрузки. Фазы загружены несимметрично. На рисунках 20-21 показаны графики изменения гармоник токов и напряжений в течение суток.

На рисунке 22 представлены графики изменения коэффициентов несинусоидальности токов и напряжений для всех фаз питающего напряжения.

Большая часть нелинейных нагрузок в жилом секторе является однофазной, имеет малую мощность и распределена по сети. Уровень и состав гармоник зависят от времени суток и от дня недели. Наибольшее количество нагрузок, генерирующих гармоники высших порядков, наблюдается в вечернее время. Явно доминирующими являются: для токов — 3-я и 5-я гармоники, для напряжений — 5-я и 11-я гармоники.

14:24:00 19:12:00 00:00:00 04:48:00 09:36:00 14:24:00 19:12:00

Рис. 20. Коттеджный поселок: 1-я и 3-я гармоники токов по фазам

14:24:СС 19:12:00 СС:СС:СС С4:4В:СС С9:36:СС 14:24:СС 19:12:СС

Рис. 22. Коттеджный поселок. Коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока и напряжения

На рисунках 23, 24 показан спектральный состав токов и напряжений в рабочее время, на рисунках 25, 26 — спектральный состав токов и напряжений в вечернее время. Следует отметить, что в вечернее время показатели качества напряжения не соответствуют ГОСТ 13109-97.

Преобладающими являются составляющие, имеющие частоту третьей гармоники, которые суммируются в нейтральном проводе. Серьезной проблемой системы электроснабжения коттеджного поселка являются большие уровни токов нейтрального провода. Дополнительным фактором, приводящим к еще большему увеличению тока в нейтральном проводе, является несимметрия нагрузки. Это приводит к увеличению неконтролируемых потерь. Большие токи нейтрального провода могут привести к его перегоранию. Кроме того, увеличивается нагрев обмоток силового трансформатора, и их изоляция может быть повреждена.

1 1 1 1 1 1 На □в

1 1

1 1 гп гп

1 1 л — 1 1 ■Г Л

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Рис. 24. Коттеджный поселок. Спектральный состав напряжений в рабочее время

! 1 На С=)ё

1 Г Г Г Г Г Г Т

-■ Т

— г

—

Т ‘ Г

1! 1 — 1 1 1 1 1 1 1 и

Т ‘ — 1Г 1о . . -£ 1 — — — — 1 1 ||[ ! Ьп ! ка ! 1

2 3 1 5 б Г 3 Ь 10 11 12 13 и 15 16

2 3 Л 5 6 I 3 3 10 11 12 13 1Л 15 16

Рис. 26. Коттеджный поселок. Спектральный состав напряжений в вечернее время

Заключение

Проведенные измерения позволяют сделать следующие выводы.

1. Показатели качества электроэнергии обследованных потребителей в основном соответствуют требованиям ГОСТ 13109-97. В течение 90% времени уровень высших гармоник не превышает допустимых значений. Однако увеличение доли нелинейных нагрузок, вызванное широким использованием энергосберегающих осветительных приборов и импульсных источников питания, приведет к увеличению доли высших гармоник в спектрах токов и напряжений. Поэтому при модернизации оборудования и переходе на энергосберегающие технологии появится необходимость в мероприятиях по повышению качества электроэнергии и компенсации гармоник высших порядков.

2. Уровень высших гармоник тока зависит от мощности нагрузки, времени дня и дня недели. В рабочее время коэффициенты искажения синусоидальности кривых тока и напряжения значительно возрастают. Это означает, что источником высших гармонических составляющих является работающее оборудование.

3. Поскольку нагрузки в жилом секторе в подавляющем большинстве случаев однофазные, ток нейтрального провода может значительно превышать фазные токи даже при симметричной нагрузке. Это может привести к значительным дополнительным потерям. Есть вероятность перегрева и разрушения нулевых проводов линий, так как для нулевого провода никакими нормативными документами не предусматриваются аппараты защиты. Для обеспечения надежного электроснабжения в таких сетях требуется увеличение сечения нейтрального провода.

Авторы благодарят руководителей предприятий АПК Сухобузимского района Красноярского края за помощь в проведении измерений.

Литература

1. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев [и др.]; под ред. Ю.В. Шарова. — М.: Изд. дом

МЭИ, 2006. — 320 с.

2. Аррилага Дж., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах: пер.с англ. — М: Энерго-атомиздат, 1990.

3. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях: пер. с англ. — М.: Додэка-ХХ1, 2008. -336 с.

4. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника: учеб. для вузов. — М.: Изд. дом МЭИ, 2009. — 632 с.

5. Жежеленко И.В., Плешков П.Г., Лю Г.П. Исследование уровней высших гармоник в сельских электрических сетях // Механизация и электрификация с.х. — 1985. — № 1. — С. 57-59.

6. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М.: Госстандарт, 1997.

УДК 538.971.544.7 Л.Ю. Антипина, Т.П. Сорокина,

П.Б. Сорокин, О.П. Квашнина ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА НА ГРАФАНЕ, ДОПИРОВАННОМ АТОМАМИ ЛИТИЯ

В статье рассмотрен механизм сорбции молекулярного водорода на систему Li-графан. Показано, что данная система может сорбировать до 12 % вес. молекулярного водорода. Данный результат соответствует общепризнанным требованиям американского энергетического департамента (DOE) содержания адсорбированного водорода для его промышленного использования на транспорте (6-7 % вес.).

Ключевые слова: графан, сорбция, водород, литий.

L.Yu. Antipina, T.P. Sorokina, P.B. Sorokin, O.P. Kvashnina THEORETICAL RESEARCH OF THE MOLECULAR HYDROGEN ADSORPTION ON THE GRAPHANE WHICH IS DOPED BY THE LITHIUM ATOMS

The mechanism of the molecular hydrogen adsorption to the Li-graphane system is considered in the article. It is shown that such system can adsorb up to 12 % WT of the molecular hydrogen. The result meets the generally accepted standards of the American Department of Energy (DOE) on the adsorbed hydrogen storage for its industrial use in transportation (6-7 % WT).

Key words: graphane, sorption, hydrogen, lithium.

Введение. Отсутствие материала для эффективного хранения водорода — одна из основных проблем для его использования в качестве экологически чистого альтернативного топлива. Возможным решением этой проблемы является использования в качестве сорбента для водорода углеродных наноструктур в связи с их малым весом и большой удельной площади поверхности. Так, были опубликованы работы, посвященные исследованию нанотрубок [1,2], графена [3,4] и фуллеренов [5] как возможных эффективных сорбентов водорода. Однако данные системы показывают слишком маленькую энергию связи с адсорбированным водородом (~0,05 эВ/Н2), в то время как для эффективного использования в водородной энергетике значение энергии связи должно находиться в диапазоне 0,2 ~ 0,4 эВ/Н2.

С другой стороны, углеродные наноструктуры с адсорбированными на них атомами щелочных (Ы, Na, К) [6-9] металлов (металлоорганические комплексы) показывают хорошую энергию адсорбции молекулярного водорода на атом металла (~0,2-0,6 eV), делая их перспективными в качестве объекта сорбции. В на-

Высшие гармоники и их влияние на сети переменного тока

В трехфазных сетях, как правило, кривые напряжения во второй и третьей фазе со сдвигом на треть периода в точности воспроизводят форму кривой напряжения в первой фазе. Например, в фазе А напряжение u_A может быть представлено некоторой функцией времени:

Где Т – это период основной частоты.

Давайте рассмотрим гармонику порядка k функции f(t) во всех трех фазах.

Учитывая, что ωТ = 2π и вместо t подставляя t – T/3 и  t + T/3 получим:

Если сравнить полученные выражения для различных значений k, можно заметить, что напряжение гармоник, кратных трем (k = 3n), где n – любое целое число, во  всех фазах имеют одно и то же направление и значение. Гармоники трех фаз при k = 3n + 1 образуют симметричную систему напряжений с последовательностью, совпадающей с последовательностью фаз первой гармоники. В случае k = 3n – 1 гармоники образуют симметричную систему напряжений с последовательностью, обратной основной.

Отсюда следует, что гармоники порядка 1, 4, 7, 10, 13 и так далее образуют системы напряжений прямой последовательности, а гармоники 2, 5, 8, 11, 14 и так далее образуют системы напряжений обратной последовательности. Системы напряжений нулевой последовательности образуют гармоники 3, 6, 9, 12 и так далее.

Если в напряжении каждой из фаз присутствует постоянная составляющая, она может рассматриваться как нулевая гармоника, кратная трем (k = 3·0), то есть образующая нулевую последовательность.

В большинстве случаев, которые важны при практическом применении, в напряжении отсутствуют как все четные гармоники, так и постоянная составляющая, поэтому при дальнейшем рассмотрении ограничимся только нечетными гармониками. Рассмотрим различные схемы соединения трехфазных систем.

Если фазы генератора соединены в звезду, то при несинусоидальном фазном напряжении линейные напряжения (равные разности напряжений двух смежных фаз) не будут содержать в себе гармоник порядка, кратного трем, так как последние образуют системы нулевой последовательности.

Отсутствие гармоник порядка, кратного трем, в линейных напряжениях приводит к тому, что при несинусоидальных напряжениях отношение линейного напряжения к фазному будет меньше . Действительное фазное напряжение будет равно:

А линейное напряжение:

Отсюда следует, что:

Все высшие гармоники и фазные токи основной частоты при симметричной нагрузке, за исключением высших гармоник порядка, кратного трем, образуют систему обратной и прямой последовательностей, которые в сумме дают нуль. Высшие гармоники порядка, кратного трем, образуют систему нулевой последовательности, то есть имеют одну и ту же величину и направление. Поэтому ток в нейтральном проводнике будет равен утроенной сумме тока высших гармоник нулевой последовательности:

В случае отсутствия нейтрального провода токи в каждой из фаз не могут иметь высших гармоник с порядком кратным трем. Это связано с тем, что в такой системе сумма токов в любой момент времени должна быть равна нулю, что невозможно при наличии высших гармоник порядка, кратного трем. Так как в этом случае в нагрузке нет напряжений от токов нулевой последовательности, то между нулевыми точками генератора и симметричной нагрузкой может появиться значительное напряжение, содержащее только гармоники, кратные трем.

При соединении фаз генератора треугольником при несинусоидальных фазных ЭДС, сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре генератора, не будет всегда равна нулю, что имело бы место при синусоидальных ЭДС, а будет равна тройной сумме высших гармоник порядка, кратного трем. Если включить вольтметр в рассечку треугольника (рисунок ниже):

, то вольтметр будет измерять гармоники ЭДС порядка, кратного трем, так как остальные в сумме дают нуль:

Открытый треугольник трех фаз с ЭДС, у которого присутствуют высшие гармоники, применяется как утроитель частоты.

Если фазы соединяются в замкнутый треугольник, то данные ЭДС вызывают внутренний ток в генераторе. Этот ток протекает в замкнутом треугольнике даже тогда, когда внешняя цепь генератора разомкнута (отсутствует нагрузка на генераторе).

Составляющая ЭДС, содержащая гармоники порядка кратного трем, при разомкнутом треугольнике не будет выявляться между зажимами фаз, так как она будет компенсироваться напряжением на внутреннем сопротивлении фазы генератора. В таком случае фазное напряжение буде равно линейному:

Поэтому, если подключить к генератору, соединенному треугольником, внешнюю цепь, то токи во внешней цепи не будут содержать гармоник порядка, кратного трем.

Фазный ток генератора при симметричной нагрузке:

А линейный ток во внешней цепи:

ТОЭ лекции-№53 Высшие гармоники в трехфазных цепях

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

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

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

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

uA(t) = U1msinωt +U2msin2ωt + U3msin3ωt + …

uB(t) = U1msin(ωt — 120°) +U2msin(2ωt + 120°) + U3msin3ωt + …

uC(t) = U1msin(ωt + 120°) +U2msin(2ωt — 120°) + U3msin3ωt + …

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

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

uAB(t) = √3U1msin(ωt + 30°) + √3U2msin(ωt — 30°) + 0 +…

uBC(t) = √3U1msin(ωt — 90°) + √3U2msin(ωt + 90°) + 0 +…;

uBC(t) = √3U1msin(ωt + 150°) + √3U2msin(ωt — 150°) + 0 +…;

Действующие значения фазного и линейного напряжения:

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

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

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

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

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

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

Основы гармоник в электрических системах: ~ Изучение электротехники

Пользовательский поиск

Гармоники — это, по сути, искажения в электроэнергетических системах. Система электроснабжения может быть представлена ​​синусоидальной формой волны, которая изменяется со временем. Гармоника с частотой, соответствующей периоду исходного сигнала, называется основной, а гармоника с частотой, в «n» раз превышающей частоту основной гармоники, называется гармонической составляющей порядка «n».Наличие гармоник в электрической системе указывает на искажение формы волны напряжения или тока, и это означает, что такое распределение электроэнергии может привести к неисправности оборудования и защитных устройств.

Гармоники — это не что иное, как компоненты искаженной формы волны, и их использование позволяет анализировать любую периодическую несинусоидальную форму волны через различные компоненты синусоидальной формы волны.

Причины гармоник в электрических системах

Гармоники порождаются нелинейными нагрузками. Когда мы прикладываем синусоидальное напряжение к нагрузке этого типа, мы получим ток с несинусоидальной формой волны.

Основное оборудование, генерирующее гармоники:

1. персональный компьютер

2. Люминесцентные лампы

3. статические преобразователи

4. группы непрерывности

5.частотно-регулируемые приводы

6. сварщики.

7. Трансформаторы (в основном третья гармоника, которая становится несущественной с увеличением нагрузки трансформатора).

Как правило, искажение формы сигнала происходит из-за наличия внутри этого оборудования мостовых выпрямителей, полупроводниковые устройства которых пропускают ток только в течение части всего периода, создавая прерывистые кривые с последующим введением множества гармоник.

Влияние гармоник в электрических системах

Влияние гармоник ощущается как в токе, так и в напряжении.

Основные проблемы, вызываемые гармоническими токами:

1) перегрузка нейтралей

2) увеличение потерь в трансформаторах

3) усиление скин-эффекта.

Основные эффекты гармоник напряжения:

4) искажение напряжения

5) нарушения крутящего момента асинхронных двигателей (т.к. крутящий момент пропорционален напряжению питания)

Полный коэффициент гармонических искажений (THD) в электрической системе

Если известны среднеквадратичные значения гармонических составляющих, общее среднеквадратичное значение можно легко вычислить по следующей формуле:

Полный коэффициент гармонических искажений (THD)

Общее гармоническое искажение определяется как:

Коэффициент гармонических искажений является очень важным параметром, который дает информацию о гармоническом содержании сигналов напряжения и тока и о необходимых мерах, которые необходимо предпринять, если эти значения будут высокими.

Для THDi <10% и THDu <5% содержание гармоник считается незначительным и не требует каких-либо положений

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 Рисунок 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 _h : 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 3-го порядка ^{-го порядка} имеет частоту 150 Гц,
  • Гармоника 5 ^{-го порядка} имеет частоту 250 Гц,
  • Etc…

  Рис. {2}}} {Y_ {1}}}}}

  THD — это отношение r.{2}}}}

  гармоник: определение, типы и причины

  В этой статье мы обсудим: 1. Определение гармоник 2. Число гармоник (h) 3. Типы 4. Причины.

  Определение гармоник:

  Гармоники — это синусоидальные напряжения или токи, частоты которых кратны частоте, на которую рассчитана система питания.

  Гармоники как чистые тона, составляющие композитный тон в музыке. Чистый тон — это музыкальный звук одной частоты, а комбинация множества чистых тонов составляет составной звук.Звуковые волны — это электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве как периодическая функция времени. Может ли принцип, лежащий в основе чистых музыкальных тонов, применяться к другим функциям или количествам, зависящим от времени?

  В начале 1800-х годов французский математик Жан Батист Фурье сформулировал, что периодическая несинусоидальная функция основной частоты f может быть выражена как сумма синусоидальных функций частот, кратных основной частоте. В наших обсуждениях мы в основном касаемся периодических функций напряжения и тока из-за их важности в области качества электроэнергии.В других приложениях периодическая функция может относиться к передаче радиочастоты, тепловому потоку через среду, колебаниям механической конструкции или движения маятника в часах.

  Синусоидальная функция напряжения или тока, зависящая от времени t, может быть представлена ​​следующими выражениями:

  Функция напряжения,

  v (t) = V sin (ωt)… (4.1)

  Текущая функция,

  i (t) = I sin (ωt ± θ)… (4.2)

  , где ω = 2πf известна как угловая скорость периодической формы волны, а 0 — разность фазового угла между формами волны напряжения и тока, называемая общей осью.Знак фазового угла θ положительный, если ток опережает напряжение, и отрицательный, если ток отстает от напряжения.

  Рисунок 4.1 содержит формы сигналов напряжения и тока, выраженные уравнениями. (4.1) и (4.2), которые по определению являются чистыми синусоидами.

  Для периодической несинусоидальной формы волны, показанной на рис. 4.2, упрощенное выражение Фурье состояния-

  V (t) = V ₀ + V ₁ sin (ωt) + V ₂ sin (2 ωt) + V ₃ sin (3 ωt) +… + Vn sin (n ωt) + V _{n + 1} sin ((n + 1) ωt) + ………….. (4,3)

  Выражение Фурье представляет собой бесконечный ряд. В этом уравнении V ₀ представляет постоянную или постоянную составляющую сигнала.

  V ₁ , V ₂ , V ₃ ,…, V _n — пиковые значения следующих друг за другом членов выражения. Эти термины известны как гармоники периодической формы волны. Основная (или первая гармоника) частота имеет частоту f, вторая гармоника имеет частоту 2 x f, третья гармоника имеет частоту 3 x f, а n-я гармоника имеет частоту n x f.Если основная частота равна 60 Гц (как в США), частота второй гармоники составляет 120 Гц, а частота третьей гармоники — 180 Гц.

  Значение частот гармоник показано на рис. 4.3. Вторая гармоника проходит два полных цикла в течение одного цикла основной частоты, а третья гармоника проходит три полных цикла в течение одного цикла основной частоты.

  V ₁ , V ₂ и V ₃ — это пиковые значения гармонических составляющих, составляющих составной сигнал, который также имеет частоту f.

  Способность выражать несинусоидальную форму волны как сумму синусоидальных волн позволяет нам использовать более общие математические выражения и формулы для решения проблем энергосистемы. Чтобы найти влияние несинусоидального напряжения или тока на часть оборудования, нам нужно только определить влияние отдельных гармоник, а затем векторно просуммировать результаты, чтобы получить чистый эффект. На рисунке 4.4 показано, как отдельные синусоидальные гармоники могут быть добавлены для формирования несинусоидальной формы волны.

  Выражение Фурье в Ур. (4.3) было упрощено, чтобы прояснить концепцию гармонических частотных составляющих в нелинейной периодической функции. Для пуриста предлагается следующее более точное выражение. Для периодической волны напряжения с основной частотой —

  ω = 2πf,

  v (t) = V ₀ + ∑ (a _k cos kωt + b _k sin k ωr) (для k- 1 до ∞)… (4.4)

  Где a _k и b _k — коэффициенты отдельных гармонических членов или компонентов.При определенных условиях члены косинуса или синуса могут исчезнуть, давая нам более простое выражение. Если функция является четной функцией, то есть f (-t) = f (t), то синусоидальные члены исчезают из выражения. Если функция нечетная, с f (- t) = — f (t), то косинусные члены исчезают.

  Для нашего анализа мы будем использовать упрощенное выражение, включающее только синусоиды. Следует отметить, что наличие как синуса, так и косинуса влияет только на угол смещения гармонических составляющих и форму нелинейной волны и не меняет принцип, лежащий в основе применения ряда Фурье.Коэффициенты при гармонических членах функции —

  f (t), содержащаяся в формуле. (4.4) определяются коэффициентом

  Коэффициенты представляют собой пиковые значения отдельных составляющих частоты гармоник нелинейной периодической функции, представленной f (t).

  Номер гармоники (ч):

  Номер гармоники (h) относится к отдельным частотным элементам, составляющим составной сигнал. Например, h = 3 относится к третьей гармонической составляющей с частотой, в три раза превышающей основную частоту.Если основная частота равна 60 Гц, то частота 3 ^rd (третьей) гармоники будет 3 x 60 или 180 Гц. Гармоника номер 6 — это составляющая с частотой 360 Гц.

  Работа с номерами гармоник, а не с их частотами, выполняется по двум причинам. Основная частота варьируется в зависимости от страны и приложения. Основная частота в США составляет 60 Гц, тогда как в Европе и многих странах Азии она составляет 50 Гц. Кроме того, в некоторых приложениях используются частоты, отличные от 50 или 60 Гц; например, 400 Гц — обычная частота в аэрокосмической промышленности, в то время как некоторые системы переменного тока для электрической тяги используют частоту 25 Гц.

  Инверторная часть преобразователя частоты переменного тока может работать на любой частоте от нуля до его полной номинальной максимальной частоты, и тогда основная частота становится частотой, на которой работает двигатель. Использование чисел гармоник позволяет упростить выражение гармоник. Вторая причина использования гармонических чисел — это упрощение, реализованное при выполнении математических операций с гармониками.

  Типы гармоник:

  Нечетные и четные гармоники порядка:

  Как следует из их названий, нечетные гармоники имеют нечетные числа (например,g., 3, 5, 7, 9, 11), а четные гармоники имеют четные числа (например, 2, 4, 6, 8, 10). Номер гармоники 1 присваивается основной частотной составляющей периодической волны. Номер гармоники 0 представляет постоянную или постоянную составляющую сигнала. Компонент постоянного тока — это чистая разница между положительной и отрицательной половинами одного полного цикла сигнала.

  На рис. 4.5 показан периодический сигнал с чистым содержанием постоянного тока. Постоянная составляющая сигнала имеет нежелательные эффекты, особенно на трансформаторы, из-за явления насыщения сердечника.Насыщение сердечника вызывается работой сердечника при уровнях магнитного поля выше изгиба кривой намагничивания. Трансформаторы предназначены для работы ниже колена кривой.

  При приложении постоянного напряжения или тока к обмотке трансформатора в сердечнике трансформатора создаются большие постоянные магнитные поля. Сумма магнитных полей переменного и постоянного тока может сместить работу трансформатора в области за изломом кривой насыщения. Работа в области насыщения предъявляет большие требования к мощности возбуждения в энергосистеме.Существенно увеличиваются потери в трансформаторе, что приводит к чрезмерному повышению температуры. Вибрация сердечника становится более выраженной в результате работы в области насыщения.

  Обычно мы рассматриваем гармоники как целые числа, но некоторые приложения создают гармонические напряжения и токи, которые не являются целыми числами. Электродуговые печи являются примерами нагрузок, генерирующих нецелые гармоники. Сварщики также могут генерировать нецелочисленные гармоники. В обоих случаях, как только дуга стабилизируется, нецелые гармоники в основном исчезают, оставляя только целые гармоники.

  Большинство нелинейных нагрузок создают гармоники, которые нечетно кратны основной частоте. Для получения четных гармоник должны существовать определенные условия. Неравномерный ток между положительной и отрицательной половинами одного рабочего цикла может генерировать четные гармоники. Неравномерная работа может быть связана с характером приложения или может указывать на проблемы со схемой нагрузки. Токи намагничивания трансформаторов содержат заметные уровни гармонических составляющих, как и дуговые печи во время запуска.Субгармоники имеют частоты ниже основной частоты и редко встречаются в энергосистемах.

  Когда присутствуют субгармоники, основной причиной является резонанс между гармоническими токами или напряжениями с емкостью и индуктивностью энергосистемы. Субгармоники могут возникать, когда система имеет высокую индуктивность (например, дуговая печь во время запуска) или если система питания также содержит большие конденсаторные батареи для коррекции коэффициента мощности или фильтрации. В таких условиях возникают медленные колебания, которые относительно не затухают, что приводит к провалам напряжения и мерцанию света.

  Причины гармоник напряжения и тока:

  Чистая синусоидальная форма сигнала с нулевым гармоническим искажением является гипотетической величиной, а не практической. Форма волны напряжения даже в точке генерации содержит небольшое количество искажений из-за неоднородности магнитного поля возбуждения и дискретного пространственного распределения катушек вокруг пазов статора генератора. Искажение в точке генерации обычно очень низкое, обычно менее 1,0%.

  Генерируемое напряжение передается на многие сотни миль, преобразуется на несколько уровней и в конечном итоге передается опытному пользователю.Пользовательское оборудование генерирует токи, богатые гармоническими частотными составляющими, особенно в крупных коммерческих или промышленных установках. Когда гармонические токи проходят к источнику питания, искажение тока приводит к дополнительному искажению напряжения из-за напряжений импеданса, связанных с различным оборудованием распределения энергии, таким как линии передачи и распределения, трансформаторы, кабели, шины и т. Д.

  На рис. 4.9 показано, как искажение тока преобразуется в искажение напряжения.Однако не все искажения напряжения происходят из-за протекания искаженного тока через полное сопротивление энергосистемы. Например, системы статических источников бесперебойного питания (ИБП) могут создавать заметные искажения напряжения из-за характера их работы. Нормальное переменное напряжение преобразуется в постоянное, а затем снова преобразуется в переменное в инверторной секции ИБП. Если не предусмотрена схема формирования сигналов, формы сигналов напряжения, генерируемые в ИБП, имеют тенденцию к искажению.

  По мере распространения нелинейных нагрузок в энергосистему вносятся искажения напряжения, которые усиливаются при переходе от источника к нагрузке из-за импедансов цепи.Искажения тока по большей части вызваны нагрузками. Даже линейные нагрузки будут генерировать нелинейные токи, если форма сигнала напряжения питания значительно искажена.

  Когда несколько опытных пользователей используют общую линию питания, искажение напряжения, вызванное подачей гармонического тока одним пользователем, может повлиять на других пользователей. Вот почему выпускаются стандарты, которые ограничивают количество гармонических токов, которые отдельные потребители электроэнергии могут подавать в источник.

  Основными причинами искажения тока являются нелинейные нагрузки из-за приводов с регулируемой скоростью, люминесцентного освещения, блоков выпрямителей, нагрузки компьютеров и обработки данных, дуговых печей и т. Д.Можно легко визуализировать среду, в которой генерируется широкий спектр гармонических частот и передается другим нагрузкам или другим потребителям энергии, что приводит к нежелательным результатам во всей системе.

  Завод Инжиниринг | Понимание гармоник:

  Руди Т. Водрих, Schneider Electric / Square D

  15 августа 2007 г.

  К настоящему времени каждый инженер-электрик что-то слышал о гармониках. Гармоники генерируются нелинейными нагрузками, такими как традиционные частотно-регулируемые приводы, системы бесперебойного питания (ИБП) и любые другие устройства преобразования энергии, которые преобразуют переменный ток в постоянный с помощью выпрямительного моста той или иной формы.Любое устройство, которое потребляет импульс тока из электрической сети, меньший, чем полная волна напряжения, генерирует гармоники (рис. 1). Гармоники — это просто математическое представление этих искаженных форм сигналов, которое позволяет нам моделировать реакцию электрической сети на нескольких частотах, а также лучше понимать и прогнозировать, как электрическая сеть будет реагировать на это высокочастотное содержимое — или «электрическое загрязнение».

  Гармоники: плохие

  Мы заботимся о гармониках по нескольким причинам.Во-первых, гармонический ток генерирует тепло во всех токоведущих компонентах системы распределения электроэнергии: распределительном устройстве, выключателях, предохранителях, кабелях, конденсаторах, токопроводе, шинах и трансформаторах. Гармонический ток выделяет больше тепла в расчете на один ампер, чем ток на основной частоте (60 Гц). Хотя распределительная система часто проектируется консервативно с учетом сверхтоков, необходимо учитывать вклад гармонического нагрева.

  Во-вторых, гармонический ток, протекающий через полное сопротивление системы, вызывает гармонические искажения напряжения.Представьте, что гармонический ток течет от электросети вниз к нелинейным нагрузкам. Когда ток пересекает основные системные сопротивления, такие как распределительные трансформаторы, сетевые реакторы или даже длинные кабели или шинопроводы, он вызывает падение напряжения. Чем ближе вы подходите к нелинейным нагрузкам, тем более искажается форма сигнала напряжения от истинной синусоиды. В серьезных случаях искажение напряжения может вызвать проблемы в работе чувствительного электронного оборудования, такого как программируемые логические контроллеры (ПЛК) и, как ни странно, частотно-регулируемые приводы (VSD).

  Искажение напряжения — функция гармонического тока и полного сопротивления системы — хуже в «мягких» электрических системах с низкими доступными уровнями неисправности. Таким образом, пользователи в конце электросети в удаленных местах или пользователи, работающие от генератора, с большей вероятностью столкнутся с проблемами, связанными с чрезмерным искажением напряжения.

  Другая проблема с искажением напряжения заключается в том, что оно вызывает распространение гармоник по сети и на линейные нагрузки. Линейные нагрузки таковы — линейные.Если вы приложите треугольную волну напряжения к линейной нагрузке, такой как двигатель полного напряжения, подключенный к сети, он попытается нарисовать треугольную форму волны тока. Следовательно, когда искажение напряжения увеличивается, линейные нагрузки начинают потреблять гармонический ток.

  В случае двигателей некоторые из этих гармонических напряжений — в первую очередь 5-я и 11-я гармоники — создают в двигателе обратную ЭДС и, следовательно, снижают КПД двигателя. Дополнительный нагрев двигателя, вызванный протеканием гармонического тока, также может вызвать дополнительный износ и сократить срок службы двигателя.

  В-третьих, гармоники, присутствующие в электрической системе, делают методы коррекции низкого коэффициента мощности более сложными и дорогостоящими. Традиционно конденсаторы устанавливаются для повышения коэффициента мощности, тем самым повышая эффективность системы и обычно приводя к некоторой форме экономии на ежемесячных счетах за электроэнергию. Хотя конденсаторы не генерируют гармоники, они могут взаимодействовать и увеличивать уровни гармоник посредством состояния, называемого резонансом, увеличивая как уровни гармонического тока, так и искажения напряжения.

  Коррекция коэффициента мощности

  В то время как гармоники считаются устойчивым явлением, уровни гармоник в электрической сети действительно динамичны по своей природе, быстро меняются по мере включения и выключения различных нагрузок и меняются по величине, например, в преобразователях частоты. Системы коррекции коэффициента мощности должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать резонанса, а также соответствовать изменяющимся требованиям к реактивной мощности и различным уровням гармоник в сети.

  Кроме того, система коррекции коэффициента мощности должна быть спроектирована не только для уровней гармоник, присутствующих в сети сегодня, но и для возможного увеличения в будущем с добавлением нагрузки.Отсутствие учета гармоник на этапе проектирования проекта коррекции коэффициента мощности неизбежно приведет к преждевременному отказу. Помните, что гармонический ток генерирует тепло в токоведущих компонентах сети, а конденсаторные системы, как правило, поглощают гармоники и, таким образом, несут на себе основную тяжесть этого эффекта.

  Наконец, стандарт IEEE 519-1992 требует, чтобы конечные пользователи ограничивали уровни гармоник, чтобы гарантировать стабильность сети для всех пользователей. В нем указаны допустимые уровни гармонических искажений (как напряжения, так и тока) и точка общей связи (PCC) с электросетью.

  Дело в том, что клиент X редко влияет на клиента Y в сети, скорее, что обычно клиент X создает проблемы для себя в четырех стенах своего здания. Более практичным подходом является применение пределов гармоник, изложенных в IEEE 519, но в пределах электрической сети заказчика (обычно на низком уровне напряжения). Это гарантирует, что гармонические проблемы не возникнут.

  Люди в промышленности говорят: «Гармоники не проблема, пока они не станут проблемой.«Однако мы склонны откладывать решение мелких проблем до тех пор, пока они не превратятся в большие проблемы. Таким образом, гармоники подобны большинству других типов загрязнения. Уловка состоит в том, чтобы понять, что проблема существует, пока не стало слишком поздно. Как и в случае с большинством других видов загрязнения, унция профилактики часто стоит фунта лечения.

  Методы смягчения последствий

  Теперь, когда мы осознаем проблемы, которые могут вызвать гармоники, как нам их минимизировать? Методы подавления гармоник делятся на две группы: уровень устройства и уровень системы.Решения на уровне устройства включают:

  Завод Инжиниринг | Основы минимизации гармоник

  Отключение электроэнергии от 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 завода должны смотреть на проблемы 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 на заводе они нежелательны.

  Гармоники вызывают проблемы в сочетании с основной формой электрического сигнала. 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?

  Вредные эффекты гармоник включают 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 требует перехода через ноль 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 несоблюдение стандарта 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, прерывание 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 разработаны 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.

  Влияние гармоник в энергосистеме

  Скачать PDF-версию этой страницы

  Решения по качеству электроэнергии для устранения гармонических искажений на стороне сети при нелинейных нагрузках

  Что такое гармоники?
  Гармоники можно лучше всего описать как форму или характеристики формы волны напряжения или тока относительно его основной частоты.Но что это значит? Что ж, идеальным источником питания для всех энергосистем являются гладкие синусоидальные волны. Эти идеальные синусоиды не содержат гармоник. Когда формы волны отклоняются от формы синусоиды, они содержат гармоники. Эти гармоники тока искажают форму волны напряжения и создают искажения в энергосистеме, что может вызвать множество проблем.

  Деструктивные эффекты гармонических искажений

  Способность энергосистемы работать на оптимальном уровне снижается, когда в систему попадают гармонические искажения.Это создает неэффективность в работе оборудования из-за повышенной потребности в энергопотреблении. Увеличение общего необходимого тока приводит к увеличению затрат на установку и коммунальные услуги, отопление и снижение рентабельности

  Два типа нагрузок
  Энергосистема может содержать один или два различных типа нагрузок, нелинейную нагрузку или линейную нагрузку.

  
  Линейные нагрузки
  Линейные нагрузки имеют форму волны тока, пропорциональную величине приложенного напряжения.Если напряжение удваивается, ток также удваивается, поддерживая почти идеальную синусоиду, не создавая
  гармоник. Примеры типов линейных нагрузок: лампы накаливания, нагреватели и резисторы.

  Нелинейные нагрузки
  Когда ток не пропорционален напряжению, нагрузка классифицируется как нелинейная. Нелинейные нагрузки чаще всего связаны с современным электронным оборудованием, которое часто зависит от импульсных источников питания, работающих от сети. Эти нагрузки создают гармонические искажения, которые могут отрицательно сказаться на вашем оборудовании.Примеры нелинейных нагрузок включают: частотно-регулируемые приводы (ЧРП), дуговые печи и другие источники бесперебойного питания.

  ____________________________________________________________________________________________________________________________________

  Проблемы с энергосистемой, которые могут возникнуть без фильтра гармоник:

  • Повышенные затраты на установку и коммунальные услуги
  • Перегрев компонентов
  • Неисправность оборудования
  • Непредвиденное срабатывание выключателей
  • Неточные измерения на датчиках
  • Помехи связи

  ____________________________________________________________________________________________________________________________________

  Снижение гармонических искажений необходимо для длительного срока службы оборудования
  Компания MTE предлагает специализированные продукты, разработанные для обеспечения необходимой производительности

  Общее гармоническое искажение (THID%) в зависимости от используемого приложения.
  Без подавления гармоник частотно-регулируемые преобразователи могут генерировать THID, превышающий 100% основной частоты.

  Реакторы RL
  Реакторы RL не имеют себе равных по поглощению помех в ЛЭП. Они построены таким образом, чтобы выдерживать даже самые сильные скачки мощности. Они уменьшают ложное срабатывание
  , уменьшают гармонические искажения и сводят к минимуму влияние длинных проводов.

  
  Matrix® ONE
  Однофазные фильтры Matrix ONE оптимизированы для работы в удаленных и сельских районах
  , где трехфазное питание недоступно.Его запатентованная конструкция обеспечивает подавление гармоник
  , необходимое для того, чтобы ваше оборудование работало дольше.

  
  Matrix® APAX
  Matrix APAX имеет однопанельную конструкцию с меньшим количеством подключений и дополнительными положениями контактора
  , что упрощает интеграцию и установку. Matrix APAX
  представляет собой простое и доступное решение, которое помогает уменьшить вредные побочные эффекты
  , вызванные гармоническими искажениями, без ущерба для качества. (Доступно только для 400 В.)

  
  Matrix® AP
  Matrix AP — самый продвинутый фильтр на рынке сегодня. Он оснащен запатентованной адаптивной пассивной технологией
  , которая позволяет ему работать как никакой другой фильтр — фактически
  устраняет искажения. Matrix AP может адаптироваться к изменяющимся нагрузкам, что позволяет вам до
  соответствовать стандартам IEEE-519. Лучшее в отрасли

  Загрузите версию этой страницы в формате PDF:

  Загрузить сейчас

  гармоник.Кто они такие? Что они делают?

  Что такое гармоники?

  Гармоники позволяют представить любую периодическую форму волны . Фактически, согласно теореме Фурье, любая периодическая функция периода T может быть представлена ​​как сумма:

  гармоник. Кто они такие? Что они делают? (фото предоставлено ElPaso TubeAmps через Youtube)

  • Синусоида с тем же периодом T ;
  • Некоторые синусоиды с той же частотой, что и целые кратные основной гармоники;
  • Возможный непрерывный компонент, если функция имеет ненулевое среднее значение за период.

  Гармоника с частотой, соответствующей периоду исходной формы волны, называется основной гармоникой , а гармоника с частотой, равной «n» раз больше основной частоты, называется гармонической составляющей порядка «n» .

  Совершенно синусоидальная форма волны, соответствующая теореме Фурье, не содержит гармонических составляющих порядка, отличного от основной.

  Таким образом, понятно, почему в электрической системе отсутствуют гармоники, когда формы сигналов тока и напряжения синусоидальны.Напротив, наличие гармоник в электрической системе является показателем искажения формы волны напряжения или тока, и это подразумевает такое распределение электроэнергии, которое может вызвать сбои в работе оборудования и защитных устройств.

  Подводя итог: гармоники — это не что иное, как компоненты искаженной формы волны, и их использование позволяет нам анализировать любую периодическую несинусоидальную форму волны через различные компоненты синусоидальной формы волны.

  На рисунке 1 ниже показано графическое представление этой концепции.

  Рисунок 1 — Графическое представление гармоник

  Как генерируются гармоники?

  Гармоники генерируются нелинейными нагрузками . Когда мы прикладываем синусоидальное напряжение к нагрузке этого типа, мы получим ток с несинусоидальной формой волны. Диаграмма на Рисунке 2 иллюстрирует пример формы кривой несинусоидального тока из-за нелинейной нагрузки:

  Рисунок 2 — Слева: Форма волны линейной нагрузки; Справа: Нелинейная форма волны нагрузки

  Эта несинусоидальная форма волны может быть разложена на гармоники .Если полное сопротивление сети очень низкое, искажение напряжения, вызванное гармоническим током, также невелико и редко превышает уровень загрязнения, уже присутствующий в сети. Как следствие, напряжение может оставаться практически синусоидальным даже при наличии гармоник тока.

  Для правильного функционирования многим электронным устройствам требуется определенная форма волны тока и, следовательно, они должны «вырезать» синусоидальную форму волны, чтобы изменить ее действующее значение или получить постоянный ток от другого значения.В этих случаях ток в линии имеет несинусоидальную кривую.

  Основное оборудование, генерирующее гармоники:

  • Персональный компьютер
  • Люминесцентные лампы
  • Статические преобразователи
  • Группы непрерывности
  • Приводы с регулируемой скоростью
  • Сварочные аппараты

  Как правило, искажение формы волны связано с наличие мостовых выпрямителей (внутри этого оборудования), полупроводниковые устройства которых пропускают ток только в течение части всего периода, создавая прерывистые кривые с последующим введением множества гармоник.

  Также трансформаторы могут быть причиной гармонического загрязнения. Фактически, приложение совершенно синусоидального напряжения к трансформатору приводит к синусоидальному намагничивающему потоку, но из-за явления магнитного насыщения железа ток намагничивания не должен быть синусоидальным.

  На рисунке 3 показано графическое изображение этого явления:

  Рисунок 3 — Явление магнитного насыщения трансформаторного железа

  Результирующая форма волны намагничивающего тока содержит множество гармоник, самая большая из которых — третья.Однако следует отметить, что ток намагничивания обычно составляет небольшой процент от номинального тока трансформатора, и эффект искажения становится все более и более незначительным по мере того, как трансформатор подвергается наибольшей нагрузке.

  5 действительно приятных эффектов гармоник

  Основными проблемами, вызываемыми гармоническими токами, являются //

  1. Перегрузка нейтрали
  2. Увеличение потерь в трансформаторах
  3. Повышение скин-эффекта

  Основными эффектами гармонических напряжений являются //

  4. Искажения напряжения
  5. Нарушения крутящего момента асинхронных двигателей

  1. Перегрузка нейтралей

  In В трехфазной симметричной и сбалансированной системе с нейтралью формы сигналов между фазами сдвинуты на угол фаз 120 °, так что, когда фазы одинаково нагружены, ток в нейтрали равен нулю.

  Наличие несимметричных нагрузок (фаза-фаза, фаза-нейтраль и т. Д.) Позволяет протекать несимметричный ток в нейтрали.

  Рисунок 4 — Несимметричная система токов

  Рисунок 4 показывает несбалансированную систему токов (фаза 3 с нагрузкой на 30% выше, чем две другие фазы), а результирующий ток в нейтрали выделен красным. В этих условиях Стандарты допускают, чтобы нейтральный проводник имел сечение, меньшее, чем поперечное сечение фазных проводов.

  При наличии искажающих нагрузок необходимо правильно оценить влияние гармоник .

  Фактически, хотя токи на основной частоте в трех фазах компенсируют друг друга, компоненты третьей гармоники, имеющие период, равный трети основной гармоники, который равен фазовому сдвигу между фазами (см. Рисунок 5 ниже), являются взаимно синфазными и, следовательно, они суммируются в нейтральном проводе, добавляя себя к нормальным токам дисбаланса.

  То же самое верно и для гармоник, кратных трем (четным и нечетным, хотя на самом деле чаще встречаются нечетные).

  Рисунок 5 — Основная гармоника и 3-я гармоника

  Вернуться к Влияние гармоник ↑

  2. Увеличение потерь в трансформаторах

  Влияние гармоник внутри трансформаторов включает в основном три аспекта //

  1. Увеличение потери в стали (или потери холостого хода)
  2. Увеличение потерь в меди
  3. Наличие гармоник, циркулирующих в обмотках

  Потери в стали связаны с явлением гистерезиса и потерями, вызванными вихревыми токами.Потери из-за гистерезиса пропорциональны частоте, тогда как потери из-за вихревых токов зависят от квадрата частоты.

  Потери в меди соответствуют мощности, рассеиваемой за счет эффекта Джоуля в обмотках трансформатора. По мере увеличения частоты (начиная с 350 Гц) ток имеет тенденцию к утолщению на поверхности проводников (скин-эффект). В этих условиях проводники имеют меньшее поперечное сечение для прохождения тока, так как потери из-за эффекта Джоуля увеличиваются.

  Эти два первых аспекта влияют на перегрев, который иногда вызывает снижение номинальных характеристик трансформатора.

  Третий аспект относится к эффектам гармоник тройного N (униполярных гармоник) на обмотки трансформатора. В случае обмоток треугольником гармоники проходят через обмотки и не распространяются вверх по потоку в сторону сети, поскольку все они синфазны.

  Таким образом, треугольные обмотки представляют собой барьер для гармоник тройного N, но необходимо уделять особое внимание гармоническим составляющим этого типа для правильного определения размеров трансформатора.

  3. Увеличение скин-эффекта

  Когда частота увеличивается, ток стремится течь по внешней поверхности проводника. Это явление известно как скин-эффект и более выражено на высоких частотах .

  При частоте источника питания 50 Гц скин-эффект незначителен, но выше 350 Гц, что соответствует 7-й гармонике, сечение для прохождения тока уменьшается, что увеличивает сопротивление и вызывает дополнительные потери и нагрев.

  При наличии гармоник высокого порядка необходимо учитывать скин-эффект , поскольку он влияет на срок службы кабелей . Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать многожильные кабели или системы сборных шин, образованные более элементарными изолированными проводниками.

  Скачать Schneider Electric’s Cahier Technique «Дополнительные потери из-за скин-эффекта и эффекта близости» //

  Скачать CT

  Вернуться к Влияние гармоник ↑

  4.Искажение напряжения

  Искаженный ток нагрузки, потребляемый нелинейной нагрузкой, вызывает искаженное падение напряжения на импедансе кабеля. Результирующая искаженная форма волны напряжения применяется ко всем другим нагрузкам, подключенным к той же цепи, в результате чего в них протекают гармонические токи, даже если они являются линейными нагрузками.

  Решение состоит в разделении цепей , питающих нагрузки, генерирующие гармоники, от цепей, питающих нагрузки, чувствительные к гармоникам.

  Вернуться к Влияние гармоник ↑

  5.Нарушения крутящего момента асинхронных двигателей

  Гармонические искажения напряжения вызывают повышенные потери на вихревые токи в двигателях , точно так же, как это наблюдается для трансформаторов. Дополнительные потери возникают из-за генерации гармонических полей в статоре, каждое из которых пытается вращать двигатель с разной скоростью, как вперед (1-я, 4-я, 7-я,…), так и назад (2-я, 5-я, 8-я ,…).