Нормы качества электрической энергии. Гармоники тока. Что такое гармоника в электротехнике

что это и чем они опасны

В идеальном случае в электрической сети должно быть переменное напряжение, которое изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц (50 раз в секунду), если речь идет об отечественных сетях. На практике дело обстоит иначе – напряжение далеко от синусоидальной формы, оно искажено, не только по фронтам, но и по всей длине наполнено различными всплесками и помехами. Данное явление называется гармоники в электрических сетях. В этой статье мы подробнее рассмотрим, что это такое и чем опасны гармоники для оборудования, подключенного к сети.

Определение гармоник

График сигнала, который изменяется по синусоидальному закону, имеет вид:

Но это значительно отличается от реальной формы напряжения в электрической сети:

Эти зазубрины и всплески и вызваны гармониками. Мы попытаемся рассказать об этом явлении простыми словами. Изображенный выше график можно представить как сумму сигналов различной частоты и величины. Если всё это сложить, то в результате получится именно такой сигнал. Пример и результат сложения сигналов изображен на графике ниже:

Гармоники различают по номерам, где первая гармоника — это та составляющая, у которой самая большая величина. Однако такое описание слишком кратко. Поэтому давайте приведем формулу определения величины гармоники. Это возможно при гармоническом анализе и разложении в ряд Фурье:

Из этой формулы можно выделить и величины частот и фаз гармонических составляющих электрической сети и любого другого синусоидального сигнала.

Источники помех

К источникам помех можно отнести целый ряд оборудования, начиная от бытовых приборов, заканчивая мощными промышленными электрическими машинами. Для начала давайте кратко рассмотрим причины их возникновения.

Гармоники в электрической сети переменного тока возникают из-за особенностей электрооборудования, например из-за нелинейности их характеристик, или характера потребления тока.

Например, в трёхфазных сетях в магнитопроводах трансформаторов длины магнитных путей средних и крайних фаз различаются почти в 2 раза, поэтому и токи их намагничивания различаются до полутора раз. Отсюда возникают гармоники в трёхфазных сетях.

Другой источник помех в электротехнике — это электродвигатели, как трёхфазные синхронные и асинхронные, так и однофазные, в том числе и универсальные коллекторные двигатели. Последний тип двигателей используется в большей части бытовой техники, например:

• стиральные машины;
• кухонные комбайны;
• дрели, болгарки, перфораторы и пр.

В результате работы импульсных блоков питания возникают высокочастотные гармоники (помехи) в электрической сети. Чтобы понять как они образуются, нужно иметь сведения об их внутреннем устройстве. Это связано с тем, что ток первичной обмотки ИБП отличается от непрерывного, он протекает только тогда, когда открыт силовой полупроводниковый ключ. А последний открывается и закрывается с частотой выше 20 кГц.

Интересно: Рабочая частота некоторых современных импульсных блоков питания достигает 150 кГц.

Для уменьшения этих гармоник используют фильтры электромагнитных помех, например, синфазный дроссель и конденсаторы. Для улучшения графика потребления тока относительно питающего однофазного напряжения используют активные корректоры коэффициента мощности (рус. ККМ, англ. PFC).

Такие блоки питания установлены в:

• светодиодных лампах;
• ЭПРА для люминесцентных ламп;
• компьютерные блоки питания;
• современные зарядные устройства для мобильных телефонов;
• телевизоры и прочая техника.

Также к этим источникам питания можно отнести и преобразователи частоты.

Последствия гармонических помех

Наличие гармоник в электрической сети переменного тока вызывает определенные проблемы. Среди них – повышенный нагрев электродвигателей и питающих проводов. Последствия влияния гармоник – это вибрация двигателей. Дальнейшие последствия могут быть различными – начиная от ускоренного износа подшипников ротора двигателя, заканчивая пробоем на корпус обмоток от повышенного нагрева.

В электрике встречаются ложные срабатывания коммутационной и защитной аппаратуры – автоматических выключателей, контакторов и магнитных пускателей. В звуковой аппаратуре и технике для связи из-за гармоник возникают помехи. С ними борются аналогично – установкой фильтров электромагнитных помех.

На видео ниже рассказывается, что такое гармоники и интергармоники в электросети:

В заключение хотелось бы отметить, что гармоники в электрических сетях в принципе не несут никакой пользы. Они лишь вызывают неисправности, ложные срабатывания коммутационной аппаратуры и прочие проявления нестабильности в работе. Это может нести не только неудобства в эксплуатации, но и экономические проблемы, убытки и аварийные ситуации, которые могут быть опасны для жизни.

Материалы по теме:

samelectrik.ru

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.

Номер гармоники

Типичное содержание в % гармоник тока

-

6-ти пульсный

выпрямитель

12-ти пульсный

выпрямитель

1	100	100
5	20	-
7	14	-
11	9	9
12	8	8
17	6	-
19	5	-
23	4	4
23	4	4

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.

www.matic.ru

Высшие гармоники Что такое высшие гармоники в электротехнике? Какова физика?...

Вот так гармоники-синусоиды разных частот складываются в периодическое несинусоидальное напряжение. В данном случае - прямоугольное.

0

ответ написан 3дня назад

0 комментариев

Войдите что бы оставлять комментарии

1, 3, 5 это высшие а остальные пониже...

0

ответ написан 3дня назад

даже стыдно, что за 1 3 5, это вообще о чём...

0

комментарий написан 3дня назад

Вот так за пару строчек не объяснить - лучше в учебник загляните что бы не стыдно было, например : О. В. Головин "Радиоприёмные устройства" и т. п.... вот как то так

0

комментарий написан 3дня назад

Войдите что бы оставлять комментарии

все, начиная со второй.

0

ответ написан 3дня назад

0 комментариев

Войдите что бы оставлять комментарии

чистый меандр- это синусоида с бесконечным числом гармоник

0

ответ написан 3дня назад

что за гармоники то ( я не понимаю о чём вы все, я и хотел спросить что это вообще такое

0

комментарий написан 3дня назад

Войдите что бы оставлять комментарии

0

ответ написан 3дня назад

0 комментариев

Войдите что бы оставлять комментарии

Гармоника это сигнал образующийся в результате нелинейного усиления или преобразования, кратный основному сигналу по частоте. Если усилитель линейный (в идеале), то гармоник нет, если АЧХ не прямая, а любая другая линия, то на выходе появятся дополнительные сигналы (гармоники). Чем выше номер г-ки, тем меньше амплитуда. Можно настроить контур на любую высшую гармонику и усилить ее, подавив основной сигнал, тогда получится генератор с умножением частоты. Как правило гармоники всегда есть при усилении, просто, часто их уровень мал и ими пренебрегают. Часто ставят различные фильтры, чтобы подавить ВСЕ высшие гармоники или наоборот выделить одну из них. Меандр действительно можно представить как набор гармоник, чем круче передний фронт, тем выше частота самой верхней гармоники. пример: генератор работает на частоте 1мГц. Вторая г-ка 2мГц, третья 3 и т. д.

0

ответ написан 3дня назад

0 комментариев

Войдите что бы оставлять комментарии

Гармоника или гармоническое колебание всегда совершается по закону синуса и имеет вид а = АSinwt, где w основная частота. Высшие гармоники имеют такой же синусоидальный вид и частоту кратную основной w ( имеют частоты 2w,3w, 4w и т. д.). Любой не синусоидальный сигнал можно представить как сумму синусоидальных сигналов (гармоник) с разной величиной амплитуд. Гармоники не представленные в ряду имеют нулевую амплитуду. В практической электротехнике все сигналы не являются гармоническими (только похожи на синусоиду) поэтому содержат гармоники других частот, что не очень хорошо и их снижением (процент содержания) нужно бороться.

0

ответ написан 3дня назад

0 комментариев

Войдите что бы оставлять комментарии

science.ques.ru

Гармоники: причины возникновения и результат воздействия

Данный раздел Руководства посвящен природе происхождения токов гармоник и влия-нию, которое они оказывают на электрические системы. В других разделах будут описаны способы борьбы с гармониками в электрических сетях.Частоты гармоник определяются умножением основной частоты на целочисленные множители, т.е., если основная частота равна 50 Гц, то частота гармоники третьего порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники пятого порядка – 250 Гц и т.д. На рис. 1 показан

график синусоиды основной частоты с гармониками 3-го и 5-го порядков. На рисунке 2 показана результирующая форма сигнала тока в случае сложения основной частоты с гармоникой 3-го порядка, амплитуда которой составляет 70% от амплитуды основной часто-ты, и гармоникой 5-го порядка, амплитуда которой составляет 50% от амплитуды основной частоты. Стоит заметить, что на практике результирующий сигнал, искаженный наложением большого количества гармоник со сложными фазовыми соотношениями, имеет гораздо более сложную форму. Результирующий сигнал, показанный на рис. 2, имеет явно несинусоидальную форму.

Это означает, что обычное измерительное оборудование, как усредняющий мультиметр, откалиброванный по среднеквадратичному значению, будет показывать неверный результат. В приведенном примере сигнал за период имеет шесть точек перехода через ноль вместо двух. Это приведет к неправильной работе оборудования, использующего точку перехода через ноль в качестве управляющего события. Форма сигнала содержит частоты, отличные от основной, и поэтому должна обрабатываться соответствующим образом. Когда говорят о гармониках в электросети, то в первую очередь подразумевают гармоники сигнала тока, так как гармоники возникают как токи и большинство вредных воздействий оказывается этими токами. Никакое полезное заключение невозможно сделать без анализа спектра гармоник фактического сигнала, но все еще общепринятым является определение значения суммарных гармонических искажений. Когда гармоники распространяются по сети электропередачи, то есть по ответвленным цепям, не предназначенным для передачи токов гармоник, то они проявляются как напряжения. Поэтому очень важно измерять как значения токов, так и значения напряжений и приводимые значения должны явно указываться как значения напряжения или тока. Обычно значения искажений тока обозначаются суффиксом «I», например 35% THDI, а значения искажения напряжения обозначаются суффиксом «V», например 4% THDV.Токи гармоник многие годы присутствуют в электросетях. Первоначально они создавались выпрямителями на эффекте дуги в ртутных парах, которые использовались для преобразования переменного тока в постоянный ток в системах электрификации железных дорог и промышленных электроприводов постоянного тока с регулируемой скоростью вращения. Позднее спектр типов и количество порождающих гармоники устройств резко возрос и продолжает увеличиваться. Поэтому проектировщики должны тщательно учитывать присутствие гармоник в электросети и побочные результаты их воздействия.В данном разделе описывается, как и почему возникают гармоники, как наличие гармоник воздействует на электрические системы и оборудование и как свести это воздействие к минимуму.Типы оборудования, вызывающего образование гармоникГармонические токи нагрузки создаются всеми нелинейными нагрузками, к которым относятся:Однофазные нагрузки, а именно: Импульсные источники электропитания (ИИП) Электронные балласты флуоресцентных ламп Небольшие источники бесперебойного питания (ИБП)Трехфазные нагрузки, а именно: Приводы с регулируемой скоростью вращения Крупные ИБП

Однофазные нагрузки

Импульсные источники электропитания (ИИП)Большинство современных электронных устройств использует импульсные источники электропитания (ИИП). Они отличаются от прежних тем, что традиционный понижающий трансформатор и выпрямитель заменены непосредственным управляемым выпрямлением поступающего из сети тока. Этот ток заряжает накопительный конденсатор, с которого уже выпрямленный ток подается на нагрузку способом, обеспечивающим необходимые напряжение и силу тока. Преимуществом такой схемы — для производителя оборудования — является значительное снижение размеров, стоимости и массы. Источник питания может изготавливаться практически любого форм-фактора. Недостатком — для всех остальных – является то, что кроме преобразования переменного тока сети в выпрямленный ток, источник питания создает импульсы тока, содержащие большое количество гармоник третьего и более высокого порядков и значительные высокочастотные составляющие (см. рис. 3).

На входе источника электропитания ставится простой фильтр, который отсекает высокочастотные составляющие от линии и нейтрального провода и направляет их на землю. Но этот фильтр не отфильтровывает токи гармоник, которые протекают обратно в источник питания.Влияние на электросеть однофазных ИБП очень похоже на поведение ИИП.Для источников питания высокой мощности существует современная тенденция использования так называемых входов с корректировкой коэффициента мощности. Целью было сделать так, чтобы нагрузка источника питания выглядела как резистивная нагрузка, следовательно, входной ток имел синусоидальную форму и совпадал по фазе с приложенным напряжением. Это достигается за счет извлечения входного тока как высокочастотного сигнала треугольной формы, из которого с помощью входного фильтра выделяется синусоида. Такое дополнительное усложнение схемы еще не применяется в источниках питания низкого ценового диапазона, которые составляют абсолютное большинство нагрузки на коммерческих и промышленных объектах. Пока трудно даже предположить, какие проблемы еще могут возникнуть после широкого внедрения этого технического решения.

Балласты люминесцентных ламп

В последние годы стали очень популярны электронные балласты для люминесцентных ламп. Причиной этой популярности стали сведения об их более высокой эффективности. На самом деле общая эффективность электронных балластов лишь незначительно превышает эффективность лучших магнитных балластов. В основном увеличение эффективности достигается за счет более эффективной работы лампы на повышенной частоте, а не благодаря лучшей эффективности собственно электронного балласта. Главным преимуществом систем с электронным балластом является то, что в течение более долгого срока службы поддерживается высокий уровень яркости за счет применения для регулировки рабочего тока схемы управления с обратной связью. Главным и очень большим недостатком электронного балласта является образование гармоник, поступающих в сеть электропитания. Для более высоких мощностей существуют типы устройств с коррекцией коэффициента мощности, в которых снижено образование паразитных гармоник, но стоят они намного дороже. Устройства малой мощности, как правило, не имеют схемы коррекции.Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) рассматриваются как замена ламп накаливания. Миниатюрный электронный балласт, встроенный в цоколь такой лампы, управляет работой многократно согнутой люминесцентной трубки диаметром 8 мм. КЛЛ мощностью 11 Вт по световому потоку равноценна лампе накаливания мощностью 60 Вт и имеет за-явленный срок службы 8000 часов. Спектр гармонических токов КЛЛ показан на рис. 4. Одно время КЛЛ широко использовались для замены ламп накаливания в гостиницах, однако очень скоро весь этот сектор столкнулся с серьезными проблемами, вызванными гармоническими токами.

Трехфазные нагрузки

В основе работы контроллеров регулировки скорости, модулей ИБП и преобразователей постоянного тока, как правило, лежит трех-фазный мост, который еще называют шести-импульсным мостом, так как его рабочий цикл состоит из шести импульсов (по одному импульсу на каждый полуцикл в каждой фазе) на выходе постоянного тока. Шестиимпульсный мост создает гармоники с порядком 6n +/- 1, т.е. на единицу больше и на единицу меньше чем каждое кратное шести число. Теоретически величина амплитуды каждой гармоники обратнопропорциональна ее номеру, например, для пятой гармоники она равна 20%, для одиннадцатой — 9% и т.д. Типичный спектр показан на рис. 6. В случае использования двенадцатиимпульсного моста амплитуда гармоник будет значительно ниже. Такой мост можно получить, если два шестиимпульсных моста питать через обмотку трансформатора, соединенную звездой или треугольником, со сдвигом фаз между мостами в 30 градусов.Теоретически гармоники порядка 6n должны подавляться, но на практике подавление зависит от согласованности конвертеров и обычно имеет коэффициент между 20 и 50. Гармоники порядка 12n остаются без изменений. Положительным является не только уменьшение суммарного тока гармоника, но и то, что оставшиеся гармоники имеют более высокий порядок, и фильтры для их фильтрации имеют более простую схему. Во многих случаях производители оборудования будут предпринимать некоторые меры по уменьшению амплитуды токов гармоник, возможно посредством установки фильтров или включенных последовательно индуктивностей. В прошлые годы это давало повод некоторым производителям заявлять о соответствии их продукции рекомендациям «G5/3». Однако, поскольку рекомендации «G5/3» являются стандартом планирования, охватывающим всю схему электропроводки объекта в целом, то нельзя заявлять об их выполнении без знания характеристик каждого компонента электрооборудования объекта. Дальнейшее увеличение количества импульсов до 24, достигаемое параллельным соединением двух двенадцатиимпульсных модулей с фазовым сдвигом на 15 градусов, уменьшает суммарный гармонический ток до 4,5%. Дополнительное усложнение схемы увеличивает стоимость, поэтому контроллеры такого типа могут быть использованы только когда абсолютно необходимо обеспечить соответствие ограничениям, предъявляемым поставщика-ми электроэнергии.

Теоретические основы: как образуются гармоники

В идеальных чистых системах электропитания сигналы тока и напряжения имеют идеальную синусоидальную форму. На практике синусоидальная форма сигнал тока начинает искажаться, когда протекающий через нагрузку ток нелинейно зависит от прикладываемого напряжения. В простых цепях, со-держащих только линейные компоненты – сопротивления, индуктивности и емкости – протекающий ток пропорционален прикладываемому напряжению (на определенной частоте), так что синусоидальному напряжению соответствует синусоидальный ток, как это показано на рис. 9. Правда, если в цепи имеется реактивный компонент, то возникнет сдвиг фаз между сигналами напряжения и то-ка. В результате этого коэффициент мощности уменьшится, но цепь все равно останется линейной. На рис. 10 показана ситуация, когда нагрузка состоит из простого двухполупериодного выпрямителя и конденсатора, как во входном каскаде типичного импульсного источника питания. В этом случае ток протекает только когда подаваемое напряжение превышает остаточное напряжение в накопи-тельном конденсаторе, т.е. близко к пиковому значению амплитуды синусоиды напряжения, как это видно из графика вольтамперной характеристики нагрузки. На практике вольтамперная характеристика нагрузки (а, следовательно, и форма сигнала тока) намного сложнее, чем показано на иллюстрациях. Может отмечаться некоторая асимметрия и гистерезис, а точки перелома и наклон будут меняться с нагрузкой. Любой периодический сигнал может быть разложен на синусоидальный сигнал основной частоты и большое количество синусоидальных сигналов с гармоническими частотами. Так, искаженный сигнал тока, изображенный на рис. 10, можно представить как сигнал основной частоты плюс процент второй гармоники плюс процент третьей гармоники и т.д., возможно до тридцатой гармоники. Для сигналов симметричной формы, т.е. у которых положительный и отрицательный полупериоды имеют одинаковую форму и амплитуду, все гармоники с четными номерами равны нулю. В современных сетях четные гармоники встречаются редко, но они были распространенным явлением, когда широко применялись однополупериодные выпрямители. Эквивалентная цепь нелинейной нагрузки показана на рис. 11. Ее можно смоделировать как линейную нагрузку, параллельно которой включено множество источников тока, по одному источнику на каждую гармоническую частоту. Гармонические токи генерируются нагрузкой, точнее – они возникают в результате преобразования нагрузкой части энергии основной частоты в гармонические токи, которые протекают по цепи через импеданс источника и по всем остальным параллельным цепям.

В результате гармонические напряжения появляются на импедансе источника и присутствуют во всей сети электропитания объекта. Гармонические генераторы гармонических токов иногда представляются как генераторы напряжения. Если бы это соответствовало истине, то тогда импеданс источника не влиял бы на амплитуду гармонического напряжения, прикладываемого к источнику. В реальности амплитуда этого напряжения пропорциональна (в ограниченных пределах) импедансу источника, что характеризует поведение генератора, как источника тока.Импеданс источника очень низкий, поэтому гармоническое искажение напряжения, возникающее в результате воздействия гармонического тока, также очень мало и часто едва превышает фон сети. Это может быть обманчивым, так как создает впечатление отсутствия гармоник, когда на самом деле имеют место сильные гармонические токи. Такая ситуация очень похожа на попытку обнаружить блуждающие токи заземления с помощью вольтметра. Всегда, когда возникает подозрение на наличие гармоник, или необходимо убедиться в их отсутствии, нужно измерять ток.

Негативное воздействие гармоник

Гармонические токи оказывают вредное воздействие, как на питающую систему, так и на электросеть объекта. Результаты воздействия и решения сильно различаются и их нужно разбирать отдельно. Меры, предпринимаемые для устранения вредного влияния гармоник в рамках электросети объекта, не обязательно снизят искажения, вызываемые в снабжающей электросети, и наоборот.Негативное воздействие гармоник на электросеть объектаСуществует несколько общеизвестных групп нарушений в электросети, вызванных гармо-никами:— Негативные последствия, вызванные гармоническими токами: Перегрузки на нейтральных проводах Перегрев трансформаторов Случайные переключения автоматических выключателейРис. 11. Эквивалентная схема нелинейной нагрузкиПерегрузка конденсаторов корректировки коэффициента мощности Поверхностный эффект— Негативные последствия, вызванные гармоническими напряжениями: Искажения напряжения Индукционные электродвигатели Шумы перехода через нольВ следующих разделах кратко рассматривается каждая из перечисленных групп.Негативные воздействия, вызываемые гармоническими токамиПерегрев нейтрального провода

В трехфазной системе сигналы напряжения в каждой фазе относительно нейтральной точки звезды смещены на 120°. Поэтому, в случае идентичности нагрузок каждой фазы, суммарный ток в нейтральном проводе равен 0. В случае несимметричности нагрузок в нейтральном проводе течет только результирующий ток, вызванный разностью нагрузок. В прошлом электромонтажные компании, учитывая слабую силу токов в нейтральном проводе, с одобрения соответствующих стандартов использовали для нейтрального провода жилу с сечением в ½ от сечения фазового провода. Однако, если токи основной частоты в нейтральном проводе взаимнокомпенсируются, то с гармоническими токами такого не происходит. Действительно, амплитуды гармоник, частота которых равна утроенной основной частоте, умноженной на нечетный множитель (гармоники порядка 3N), складываются в нейтральном проводе.

На рис. 12 проиллюстрирован этот эффект. Как видно на графиках, фазовые токи, показанные в верхней части рисунка, сдвинуты относительно друг друга на 120°. Третьи гармоники всех фазовых токов синфазны. Частота третьей гармоники в три раза больше основной частоты и сдвинута относительно нее на 1/3 периода.Эффективный ток третьих гармоник в нейтральном проводнике показан на нижнем графике. В рассматриваемом случае токи третьей гармоники каждой фазы с амплитудой 70% от амплитуды основной частоты в нейтральном проводе дают амплитуду суммарного тока, равную 210%.Расчеты для электросетей конкретных коммерческих зданий показывают, что амплитуда тока в нейтральном проводе может составлять от 150% до 210% амплитуды фазового тока. Тогда как сечение этого провода в два раза меньше сечения фазового провода!

Существует определенная путаница по поводу того, как проектировщики должны бороться с рассматриваемой проблемой. Простое решение для электросетей, в которых используются одножильные провода, — это проложить нейтральный провод в два раза большего сечения (либо в виде двух отдельных жил, либо одной жилой большего сечения). Там, где используются многожильные провода, решение не будет таким простым. Параметры многожильных проводов определяются их производителями исходя из следующих условий: нагрузка в фазах симметричная, а ток в нейтральном проводе отсутствует. Другими словами, только по трем из четырех или пяти жил течет ток и производит тепло. Так как токонесущая способность кабеля ограничивается только теплом, которое он может рассеивать на максимально допустимой температуре, то из этого следует, что кабели, в которых протекают токи гармоник порядка 3N, не соответствуют нормативам. В соответствии с рассмотренным примером, кабель несет пять единиц тока: три в фазовых проводах и две – в нейтральном, в то время как он рассчитан только на три единицы. Его токонесущая способность в соответствии с новыми условиями должна быть уменьшена на 60%. В приложении «С» стандарта IEC 60364-5-523 (информационном) предлагается диапазон коэффициентов снижения номиналов токонесущей способности кабелей для сетей, в которых возможно появление токов гармоник порядка 3N.На рис. 13 показан график для определения коэффициента уменьшения номинала токонесущей способности кабеля в соответствии с наличием токов 3N-гармоник по рекомендациям приложения «С» стандарта IEC 60364-5-523 и по описанному выше тепловому методу.Влияние гармоник на трансформаторыГармоники воздействуют на трансформаторы двояко. В первую очередь пропорционально квадрату номера гармоники возрастают потери, вызванные вихревыми токами, которые обычно при полной нагрузке составляют около 10%. На практике потери в полностью нагруженном трансформаторе, нагрузка которого представлена цифровым офисным и вычислительным оборудованием, будут в два раза выше, чем для эквивалентной линей-ной нагрузки. Результатом является намного более высокая рабочая температура и сокращение срока службы. Действительно, срок службы в таких условиях может уменьшиться с 40лет до 40 дней! К счастью очень редко трансформаторы работают с полной нагрузкой, но при выборе питающей подстанции необходимо учитывать этот эффект.Второй аспект связан с токами нечетных гармоник порядка кратного 3 (3N). При отражении обратно в обмотку, соединенную по схеме «треугольник», все эти гармоники оказываются в фазе и их токи циркулируют в обмотке. Токи гармоник 3N эффективно поглощаются в обмотке и не поступают в питающую сеть. Поэтому трансформаторы с обмоткой, соединенной «треугольником», могут использоваться как изолирующие трансформаторы. Однако все остальные «не 3N» гармоники проходят через трансформатор. Циркулирующие токи гармоник нужно учитывать при выборе номинала трансформатора по току.Случайное срабатывание устройств защитного отключенияПринцип работы устройств защитного отключения при утечке тока на землю (УЗО) основан на суммировании тока в фазовом и в нейтральном проводах и, если результат не по-падает в заданные границы, отключении мощности от нагрузки. При наличии гармоник случайное переключение может произойти по двум причинам. Первая – УЗО, являясь электро-механическим устройством, не в состоянии корректно суммировать высокочастотные составляющие и поэтому происходит ошибочное отключение. Второе – оборудование, которое генерирует гармоники, также создает шумы переключения, которые должны отфильтровываться на разъеме электропитания оборудования. Обычно использующиеся для этого фильтры имеют конденсатор, включенный между фазовым проводом и землей и нейтральным проводом и землей. Через него на землю протекает слабый ток. Согласно стандартам этот ток не должен быть больше 3,5 мА, а на практике обычно он гораздо меньше данного значения. Но когда в одной цепи находится большое количество такого оборудования, то суммарная величина этих токов может оказаться достаточной для срабатывания УЗО. Описанную ситуацию легко избежать, если организовать несколько цепей, в каждую из которых включено меньшее количество оборудования.Ошибочное выключение миниатюрных автоматических выключателей (МАВ) происходит по причине того, что из-за гармонических токов протекающий в цепи ток больше, чем ожидалось на основании расчетов или простого измерения. Большинство портативных измерительных приборов не в состоянии определять истинное среднеквадратичное значение и могут занижать результат для несинусоидальных токов на 40%.Перегрузка конденсаторов коррекции коэффициента мощности

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности (ККМ) используются для смещения в сторону опережения фазового угла тока с целью компенсации его запаздывания по фазе, создаваемого индуктивной нагрузкой, например индуктивными электродвигателями.

На рис. 14 показана эквивалентная схема конденсатора коррекции коэффициента мощности с нелинейной нагрузкой. Импеданс конденсатора ККМ уменьшается с увеличением частоты, в то время как импеданс источника, который, как правило, имеет индуктивный характер, возрастает с увеличением частоты. Поэтому через конденсатор может протекать довольно большой гармонический ток, и если он специально не рассчитан на это, то такая ситуация приведет к его выходу из строя. Потенциально более серьезная проблема возник-нет в том случае, когда конденсатор и паразитная индуктивность питающей сети на частоте одной из гармоник входят в резонанс (что, конечно, может происходить с интервалом в 100 Гц). Если это происходит, то образуются очень высокие напряжения и токи, часто приводящие к катастрофическим разрушениям конденсаторной системы.

Для устранения возможного резонанса в цепь последовательно с конденсатором ставят индуктивность такой величины, чтобы полученная пара имела минимальный индуктивный характер на низшей значимой гармонике. Это решение также ограничивает ток гармоники, который может протекать через конденсатор. Трудности может вызвать физический размер индуктивности, особенно если в сети имеются гармоники низших порядков.

Поверхностный эффект

Переменный ток стремится протекать ближе к внешней поверхности проводника. Это явление известно как поверхностный эффект. Чем выше частота тока, тем поверхностный эффект более выраженный. Обычно поверхностный эффект не учитывается, так как на частоте питающей сети он практически незаметен. Но на частоте 350Гц и выше (что соответствует гармонике седьмого и более высоких порядков) поверхностный эффект становится ощутимым. Он проявляется в потерях электроэнергии и дополнительном выделении тепла. Если присутствуют токи гармоник, то проектировщики должны учитывать поверхностный эффект и соответственно снижать значение номинальной токонесущей способности провода. Для преодоления негативных влияний поверхностного эффекта можно использовать многожильные провода или ламинированные шины. Конструкция приспособлений для крепления шин должна исключать механический резонанс на частотах гармоник.Рис. 15. Искажение сигнала напряжения, вызванное нелинейным характером нагрузкиРис. 16. Разделение линейной и нелинейной нагрузкиНегативные явления, вызванные гармоническими напряжениямиПоскольку в сети электропитания имеется импеданс источника, гармонические токи нагрузки вызывают искажения сигнала напряжения в результате воздействия гармонических напряжений (это проявляется как «плоская верхушка»). Импеданс питающей сети складывается из двух составляющих: импеданс внутренней проводки от точки общего соединения (ТОС) импеданса источника в ТОС, т.е., импеданса местного питающего трансформатора (смотри рис. 15).Искаженный ток нагрузки, вытекающий из нелинейной нагрузки, вызывает искаженное падение напряжения на импедансе электропроводки. В результате напряжение с искаженной формой прикладывается ко всем другим нагрузкам, включенным в ту же цепь, что приводит к образованию гармонических токов, протекающих через них, даже если эти нагрузки имеют линейный характер.Решение заключается в отделении нагрузки, создающей поступающие в сеть гармоники, от включенных в ту же сеть нагрузок, чувствительных к воздействию гармоник. Такой подход проиллюстрирован на рис. 16. Линейные и нелинейные нагрузки получают питание по разным цепям, ответвляющимся от общей точки соединения, и вызываемые нелинейной нагрузкой искажения не воздействуют на линейную нагрузку.При определении амплитуды гармонических искажений напряжения, необходимо учитывать, что если нагрузка во время аварийного отключения напряжения переключается на источник бесперебойного питания или на резервный генератор, то импеданс источника, а, следовательно, и результирующее искажение напряжения, будут значительно выше.Там, где устанавливаются местные трансформаторы, их необходимо выбирать по критерию минимального выходного импеданса и наличию большого запаса устойчивости к воздействию дополнительного тепловыделения. Другими словами, с большим запасом по размеру. Нельзя выбирать трансформаторы, у которых увеличение мощности достигается просто принудительным охлаждением – такие устройства будут работать в условиях повышенной внутренней температуры и иметь укороченный срок службы. Принудительное охлаждение может быть предусмотрено в качестве резерва только для экстремальных режимов работы и не являться необходимым в обычных режимах.Индукционные электродвигателиГармонические искажения напряжения увеличивают потери в электродвигателях на вихревые токи, так же как и в трансформаторах. Также дополнительные потери возникают в результате образования под воздействием гармонических токов магнитных полей в ста-торе, каждое из которых пытается вращать ротор электродвигателя с разной скоростью как вперед, так и назад. Возникающие в роторе в результате индукции токи высокой частоты еще больше увеличивают потери.В системах, где присутствуют гармонические токи, номинальные параметры двигателя должны быть пересмотрены в сторону увеличения с учетом возможных потерь.Шумы с переходом через нольМногие электронные контроллеры обнаруживают точку перехода напряжения питания через ноль для определения момента включения нагрузки. Это делается, потому что подключение реактивной нагрузки в момент нулевого напряжения не вызывает появления переходных процессов, чем снижаются электромагнитные помехи и нагрузка на полупроводниковые переключающие устройства. Когда в цепи источника электропитания присутствуют гармоники или переходные токи, скорость перехода напряжения через ноль становится быстрее, а момент перехода трудно обнаруживаемым, что приводит к ложномусрабатыванию. На практике за полупериод может произойти несколько переходов через ноль.Негативное влияние гармоник на источник электропитанияКогда гармонический ток вытекает из источника питания, он вызывает рост гармонического падения напряжения пропорционально импедансу источника в точке общего соединения. Так как цепь источника питания в общем случае имеет индуктивный характер, то с увеличением частоты растет и импеданс источника. Естественно, что напряжение в точке общего соединения уже искажено гармоническими токами, создаваемыми другими потребителями и в результате искажений, присущих трансформаторам. Каждый потребитель вносит дополнительные искажения.Естественно, потребители не должны вносить в систему дополнительные помехи, наносящие ущерб другим пользователям. Поэтому в большинстве стран электроснабжающие отрасли определили нормативы, ограничивающие допустимую амплитуду гармонических токов.Меры, направленные на уменьшение гармоникВ данном разделе представлен краткий обзор способов уменьшения количества гармоник в сети. Эти способы можно объединить в три основные группы: пассивные фильтры, трансформаторы (изолирующие и уменьшающие количество гармонических составляющих) и активные устройства. Каждое из этих решений имеет свои преимущества и недостатки, поэтому не существует единственного наилучшего решения. В борьбе с гармоника-ми очень легко потратить большие средства на неподходящее в данном конкретном случае и неэффективное решение. Поэтому выбору инструмента должно предшествовать тщательное изучение ситуации.

Пассивные фильтрыПассивные фильтры служат для образования для гармонических токов пути с низким полным сопротивлением, чтобы они протекали через фильтр, а не через источник питания (рис. 17). В зависимости от необходимости фильтр может быть подобран для одной гармоники или для широкого спектра.Иногда возникает необходимость в разработке более сложного фильтра для увеличения последовательного импеданса на частоте гармоники и, соответственно, уменьшения доли гармонического то-ка, вытекающего обратно в источник питания (рис. 18).Иногда предлагаются обычные последовательные заграждающие фильтры, устанавливаемые либо в фазовый, либо в нейтральный провод. Такой фильтр предназначен скорее для отсекания гармонических токов, чем для их управляемого отвода. Поэтому на таких фильтрах возникает значительное падение напряжения на частоте гармонического тока. Это гармоническое напряжение через источник питания прикладывается к нагрузке. По-скольку напряжение источника становится сильно искаженным, то оно выходит за рамки нормы, на которую рассчитано оборудование и по которой устанавливается гарантия на оборудование. Некоторое оборудование относительно нечувствительно к такому искажению, а некоторое наоборот, очень чувствительно. Последовательные фильтры могут быть полезны при определенных обстоятельствах, но применять их необходимо с осторожностью. Их нельзя рекомендовать как универсальное средство для общего случая.Изолирующие трансформаторы

Как ранее указывалось, токи гармоник порядка 3N циркулируют по обмотке трансформатора, соединенной по схеме «треугольник». С одной стороны это создает дополнительные трудности для производителей трансформаторов – необходимо учитывать дополнительную нагрузку – с другой стороны позволяет проектировщикам систем изолировать токи гармоник 3N от источника питания. Тот же эффект можно достичь, если использовать трансформатор с обмоткой, соединенной зигзагом. Соединение по схеме «зигзаг» — это соединение обмоток трансформатора, при котором один конец обмотки каждой фазы трехфазного трансформатора присоединен к общей точке (нейтрали), а обмотка каждой фазы со-стоит из двух частей, в каждой из которых индуктируются сдвинутые по фазе напряжения.Активные фильтры

Ранее описанные решения эффективны только для определенных гармоник. Изолирующий трансформатор позволяет устранить только гармоники порядка 3N, а пассивные фильтры настроены только на частоту определенной гармони-ки. В некоторых сетях состав гармоник менее предсказуем. Во многих сетях, к которым подключено цифровое информационное оборудование, состав такого оборудования и точки его подключения постоянно меняются, поэтому содержание гармоник в сети также постоянно меняется. Обычным решением в таких случаях является установка активного фильтра или активного согласующего устройства.Как показано на рис. 20, активный фильтр является шунтирующим устройством. Трансформатор тока измеряет содержание гармоник в токе нагрузки и управляет генератором тока, создающим точную копию, которая в следующем цикле подается в сеть источника. Так как гармонический ток генерируется и поступает в сеть из активного согласующегоРис. 19. Изолирующий трансформатор с обмотками «треугольник» и «звезда»Рис. 20. Активный фильтр гармоникустройства, то из источника в сеть подается только ток основной частоты. На практике амплитуда гармонического тока уменьшается на 90%. Соответственно уменьшается импеданс источника на частоте гармоники и уменьшается искажение напряжения.ЗаключениеПрактически все современное электрическое оборудование имеет импульсные источники питания или какую-либо схему управления питанием, поэтому является нелинейной нагрузкой. Линейная же нагрузка встречается очень редко. Типичными примерами обще-употребительных линейных устройств являются обычные лампы накаливания без устройств регулировки яркости и нерегулируемые нагреватели. Современные и разрабатываемые стандарты не предусматривают жестких ограничений на загрязнение электросети гармоническими составляющими для цифрового оборудования, такого как персональные компьютеры. А это тот тип оборудования, который создает большое количество связанных с гармониками трудностей, наблюдаемых сегодня в промышленности и различных учреждениях. Частично из-за большого количества такого оборудования, частично из-за того, что создаваемые им гармоники в основном являются гармониками порядка 3N. Так как наблюдается устойчивый рост загрязнения электросетей гармониками, то потребуются дополнительные капиталовложения в правильное проектирование электросетей, под-бор соответствующего электротехнического оборудования и надлежащее техническое обслуживание.

 

 

vespp.ru

Высшие гармоники в электросетях

Высшие гармоники в сети.            В связи с быстрым ростом применения устройств использующих в своей схеме тиристоры, которые часто генерируют в сеть гармоники, появилось достаточно большое количество возмущений в электросетях.             Эти возмущения приводят к систематическому недопроизводству, а то и сбоям производственного оборудования. Поэтому, необходимо использовать фильтры гармоник для предотвращения роста уровня нелинейных искажений в сети, поглощения (тепловыделения) гармоник, а также для рационального использования электроэнергии.

Что такое гармоники?             Искаженная кривая тока или напряжения может быть разложена на фундаментальную синусоиду (50 Гц) и сумму  определенного количества частот кратных 50 Гц. Например 250 Гц – 5-я гармоника и 350 Гц  - 7-я гармоника.             Сумма  определенного количества частот, которые могут быть добавлены к синусоиде 50 Гц для получения существующей  формы тока или напряжения и называется гармониками. Соответственно при изменении их амплитуды, фазы и частоты изменяется  кривая тока или напряжения как результат синтеза гармоник.             Нелинейные искажения проявляются как изменение синусоидальности кривой тока или напряжения. Частоты выше фундаментальной (50 Гц) называются гармониками, частоты ниже фундаментальной называются  субгармониками.             Для примера на рисунке ниже искаженная кривая представлена как сумма фундаментальной частоты 50 Гц и суммы гармоник 5-ой (250 Гц) и 7-ой (350 Гц).

Искаженная кривая = 50 Гц основная частота + 5-я гармоника (250 Гц) + 7-я гармоника (250 Гц)

Источники (усилители) гармоник

• Тиристорные контроллеры
• Частотные приводы
• Устройства плавного пуска двигателя
• Конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (без фильтров)
• Полупроводники
• Дуговая сварка
• Трансформаторы, реакторы
• Нелинейная нагрузка искажающая форму кривой тока, что генерирует гармоники

Процесс инжиниринга для подавления гармоник

• Сбор данных (состояние системы, гармонический спектр, THD предел)
• Построение карты импедансов системы
• Расчет импеданса гармоникам и определение порядка фильтра
• Расчет перетоков гармоник
• Отработка на специализрованном ПО
• Проверка возможных ненормальных резонансов в системе, и вероятности усиления гармоник
• Разработка и производство системы подавления гармоник
• Проверка системы после инсталляции
• Отчет о проделанных измерениях и внедренном оборудовании

Искажения (возмущения) вносимые гармониками            Гармоники генерируемые источниками не остаются в системе а проявляются в соседних связанных электросетях и могут приводить к катастрофическим последствиям в других системах.

• Перегрев и выход из строя трансформаторов
• Увеличение тока, или перегрузка током конденсаторов и шум
• Сбои в работе систем контроля
• Изменение напряжения
• Перегрузка вращающихся устройств
• Ошибки срабатывания автоматических выключателей
• Ошибки в коммуникационном оборудовании
• Большой ток в нейтрали и низкое напряжение между фазой и PE

Что такое фильтр гармоник?            Фильтр гармоник – устройство, которое подавляет и потребляет гармоники генерируемые различным оборудованием. Он состоит из резистора, катушки индуктивности (реактора ) и конденсатора.            Типовой фильтр гармоник состоит из одиночных шунтирующих фильтров для гармоник низкого порядка (3-15 я). Эти фильтры настроены на частоту гармоники, которую они подавляют. Для гармоник более высокой частоты, устанавливаются дополнительные фильтры.

Эффективность фильтров гармоник.

• Улучшение cos (φ) в сети (уменьшаются перетоки реактивной мощности, улучшается эффективность использования электроэнергии и как следствие снижаются затраты)
• Подавление (вытягивание) гармоник из сети
• Решение проблемы резонанса между индуктивностями и емкостями в системе
• Увеличение производительности и срока службы оборудования на производстве вследствие контроля за качеством напряжения

Эти эффекты подавления гармоник тока фильтрами поясняются следующими схемами:

In  -  Генерируемый гармонический ток                                                        Zfn -

Ifn -  Гармонический ток на входе в фильтрующую систему

Isn - Гармонический ток поступающий в цепь трансформатора (генератора) – источника

       питания

Zfn – Входной импеданс фильтра (по отношению к гармоникам)

Zfn – Входной импеданс трансформатора (по отношению к гармоникам)

 

Европейский стандарт содержания гармоник в сети

Напряжение системы	менее 35 кВ	Более 35 кВ
THD U[%]	3%	1,5%

   Предельные значения  THDI %, в зависимости от тока короткого замыкания Iкз и максимального потребляемого тока I п. макс.  Iкз / I п. макс. *<11 **11≤h<1717≤h<2323≤h<3535≤hTHD

<20***	4,0	2,0	1,5	0,6	0,3	5,0
20<50	7,0	3,5	2,5	1,0	0,5	8,0
50<100	10,0	4,5	4,0	1,5	0,7	12,0
100<1000	12,0	5,5	5,0	2,0	1,0	15,0
>1000	15,0	7,0	6,0	2,5	1,4	20,0

  * - Максимальное искажение по току в % I п. макс. (первой гармоники = 50 Гц)

** - Порядок гармоники (нечетные)

*** - Все энергогенерирующее оборудование ограничивается значениями нелинейных искажений по току в зависимости величины отношения тока короткого замыкания Iкз и максимального потребляемого тока I п. макс. 

Примечание

- Четные гармоники лимитируются на уровне 25% от величины нечетной гармоники - Нелинейные искажения по току могут проявляться как появление постоянной составляющей в синусоиде, что приводит к перегреву (перенасыщению) силовых трансформаторов постоянным током, поэтому применение однополупериодных схем выпрямления (конвертеров) не допустимо.

Предельные значения  нелинейных искажений по напряжению (IEEE Std 519-1992) Напряжение на шинахНелинейные искажения по гармоникам,  %THD, %

69 кВ и ниже	3,0	5,0
от 69,001 кВ до 161кВ	1,5	2,5
свыше 161,001 кВ	1,0	1,5

www.matic.ru

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.

toehelp.com.ua

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:

 

tmr-power.com

---

• 
  Электрическое и магнитное поле
• 
  2 категория
• 
  Книги про электричество
• 
  Кран мостовой чертеж
• 
  Сроки оплаты электроэнергии
• 
  Скорость в вакууме
• 
  Обман счетчика воды
• 
  Протоны и нейтроны электроны
• 
  Дежурный диспетчер жкх
• 
  Яркость ламп
• 
  Определение молния