Dôvody pre výskyt vyšších harmonických v moderných energetických systémoch

Elektrické zariadenia moderného sveta sú čoraz zložitejšie, najmä pre IT technológie. Kvôli tomuto trendu musia systémy zabezpečenia kvality elektrickej energie spĺňať tieto požiadavky: jednoducho musia ľahko zvládnuť výkyvy, prepätia, poklesy napätia, šum, impulzný šum atď., aby priemyselná sieť a jej používatelia mohli normálne fungovať.

Zmena tvaru sieťového napätia v dôsledku harmonických spôsobených nelineárnymi záťažami je jedným z hlavných problémov, ktoré treba vyriešiť. V tomto článku sa pozrieme na hĺbkové aspekty tohto problému.

Čo je podstatou problému

Hlavný podiel súčasnej kancelárskej techniky, počítačov, kancelárskych, multimediálnych zariadení tvoria vo všeobecnosti nelineárne záťaže, ktoré pri zapojení do spoločnej elektrickej siete v obrovských množstvách deformujú tvar sieťového napätia.

Toto skreslené napätie je bolestivo vnímané inými elektrickými zariadeniami a niekedy výrazne narúša ich normálnu prevádzku: spôsobuje poruchy, prehrievanie, prerušuje synchronizáciu, generuje rušenie v sieťach na prenos dát, — vo všeobecnosti môže nesínusové striedavé napätie spôsobiť celý rad zariadení , procesy a nepríjemnosti pre ľudí, vrátane materiálu.

Skreslenie napätia ako také je opísané dvojicou koeficientov: sínusový faktor, ktorý odráža pomer efektívnej hodnoty vyšších harmonických k efektívnej hodnote základnej harmonickej sieťového napätia, a koeficient výkyvu záťaže, ktorý sa rovná pomer špičkovej spotreby prúdu k efektívnemu zaťažovaciemu prúdu.

Prečo sú vyššie harmonické nebezpečné?

Účinky spôsobené prejavom vyšších harmonických môžeme rozdeliť podľa trvania expozície na okamžité a dlhodobé. Bežne uvádzame okamžité: skreslenie tvaru napájacieho napätia, pokles napätia v distribučnej sieti, harmonické vplyvy vrátane harmonickej frekvenčnej rezonancie, škodlivé rušenie v sieťach na prenos dát, hluk v akustickom rozsahu, vibrácie strojov. Medzi dlhodobé problémy patria: nadmerné tepelné straty v generátoroch a transformátoroch, prehrievanie kondenzátorov a rozvodných sietí (vodičov).

Tvar harmonických a sieťového napätia

Významné špičkové prúdy v polovici sínusovej vlny siete vedú k zvýšeniu faktora výkyvu.Čím vyšší a kratší špičkový prúd, tým silnejšie skreslenie, pričom hrebeňový faktor závisí od možností zdroja energie, od jeho vnútorného odporu – či je schopný dodať takýto špičkový prúd. Niektoré zdroje musia byť nadhodnotené vo vzťahu k ich menovitému výkonu, napríklad v generátoroch sa musia použiť špeciálne vinutia.

Záložné zdroje (UPS) sa však s týmto problémom vyrovnávajú oveľa lepšie: vďaka dvojitej konverzii sú schopné kedykoľvek kontrolovať záťažový prúd a regulovať ho pomocou PWM, čím sa vyhnete problémom spôsobeným vysokým koeficientom hrebeňa prúdu. . Inými slovami, vysoký faktor výkyvu nie je problémom pre kvalitný UPS.

Vyššie harmonické a pokles napätia

Ako je uvedené vyššie, UPS dobre zvládajú vysoké faktory výkyvu a ich skreslenie tvaru vlny nepresahuje 6 %. Pripájacie vodiče tu spravidla nezáleží, sú dosť krátke. Ale kvôli množstvu harmonických v sieťovom napätí sa priebeh prúdu bude odchyľovať od sínusového, najmä pre nepárne vysokofrekvenčné harmonické zavedené jednofázovými a trojfázovými usmerňovačmi (pozri obrázok).

Komplexná impedancia distribučnej siete je zvyčajne indukčný charakterPreto harmonické prúdy vo veľkých množstvách povedú k výrazným poklesom napätia na vedeniach dlhých 100 metrov a tieto poklesy môžu prekročiť prípustné hodnoty, v dôsledku čoho bude tvar napätia na záťaži skreslený.

Ako príklad si všimnite, ako sa výstupný prúd jednofázového diódového usmerňovača mení pri rôznych impedanciách siete v závislosti od odporu vstupného filtra napájaného zariadenia s beztransformátorovým vstupom a ako to ovplyvňuje priebeh napätia.

Problém harmonických násobkov tretiny

Tretí, deviaty, pätnásty atď. — vyššie harmonické v sieťovom prúde sa vyznačujú vysokými amplitúdovými koeficientmi. Tieto harmonické vznikajú pri jednofázových zaťaženiach a ich vplyv na trojfázové systémy je dosť špecifický. Ak trojfázový systém je symetrický, prúdy sú od seba posunuté o 120 stupňov a celkový prúd v neutrálnom vodiči je nulový, — na vodiči nie je žiadny pokles napätia.

Teoreticky to platí pre väčšinu harmonických, ale niektoré harmonické sú charakterizované rotáciou prúdového vektora v rovnakom smere ako prúdový vektor základnej harmonickej. Výsledkom je, že v neutrále sú nepárne harmonické, ktoré sú násobkami tretej, na seba superponované. A keďže tieto harmonické sú vo väčšine, celkový neutrálny prúd môže prekročiť fázové prúdy: povedzme, fázové prúdy 20 ampérov poskytnú neutrálny prúd s frekvenciou 150 Hz pri 30 ampéroch.

Kábel navrhnutý bez zohľadnenia vplyvu harmonických sa môže prehriať, pretože podľa názoru mal byť jeho prierez zväčšený. Harmonické násobky tretiny sú v trojfázovom obvode vzájomne posunuté o 360 stupňov.

Rezonancia, rušenie, hluk, vibrácie, zahrievanie

Distribučné siete majú nebezpečenstvo rezonancie pri vyšších prúdových alebo napäťových harmonických sa v týchto prípadoch ukáže, že harmonická zložka je vyššia ako základná frekvencia, čo negatívne ovplyvňuje systémové komponenty a zariadenia.

Siete na prenos dát umiestnené v blízkosti elektrických vedení, ktorými tečú prúdy s vyššími harmonickými sú vystavené rušeniu, informačný signál v nich sa zhoršuje, pričom čím kratšia je vzdialenosť od vedenia k sieti, tým väčšia je dĺžka ich spojenia, tým vyššia je harmonická frekvencia — čím väčší je informačný signál o skreslení.

Transformátory a tlmivky začínajú vydávať väčší hluk v dôsledku vyšších harmonických, elektromotory zažívajú pulzácie v magnetickom toku, čo má za následok vibrácie krútiaceho momentu na hriadeli. Elektrické stroje a transformátory sa prehrievajú a dochádza k tepelným stratám. V kondenzátoroch sa uhol dielektrickej straty zvyšuje s frekvenciou vyššou ako mriežka a začnú sa prehrievať, môže dôjsť k rozpadu dielektrika. Je zbytočné hovoriť o stratách vo vedení v dôsledku zvýšenia ich teploty ...