Razlozi pojave viših harmonika u suvremenim elektroenergetskim sustavima

Električna oprema suvremenog svijeta postaje sve složenija, posebice za IT tehnologije. Zbog ovog trenda, sustavi za osiguranje kvalitete električne energije moraju ispunjavati ove zahtjeve: oni jednostavno moraju lako podnositi fluktuacije, prenapone, padove napona, buku, impulsni šum itd., tako da industrijska mreža i njeni korisnici mogu normalno funkcionirati.

Preoblikovanje mrežnog napona zbog harmonika uzrokovanih nelinearnim opterećenjima jedan je od glavnih problema koje treba riješiti. U ovom ćemo članku pogledati dubinske aspekte ovog problema.

Što je bit problema

Glavni udio sadašnje uredske opreme, računala, uredske, multimedijske opreme općenito su nelinearni potrošači, koji, povezani u zajedničku elektroenergetsku mrežu u velikim količinama, iskrivljuju oblik mrežnog napona.

Ovaj iskrivljeni napon bolno percipiraju drugi električni uređaji i ponekad značajno ometa njihov normalan rad: uzrokuje kvarove, pregrijavanje, prekida sinkronizaciju, stvara smetnje u mrežama za prijenos podataka, — općenito, nesinusoidalni izmjenični napon može uzrokovati cijeli niz opreme , procese i neugodnosti za ljude, uključujući materijal.

Izobličenje napona kao takvo opisuje se parom koeficijenata: sinusoidnim faktorom, koji odražava omjer efektivne vrijednosti viših harmonika i efektivne vrijednosti osnovnog harmonika mrežnog napona, i vršnim faktorom opterećenja, jednakim omjer potrošnje vršne struje i efektivne struje opterećenja.

Zašto su viši harmonici opasni?

Učinci uzrokovani pojavom viših harmonika mogu se podijeliti prema trajanju izloženosti na trenutne i dugotrajne. Uobičajeno je spomenuti trenutne: izobličenje oblika napona napajanja, pad napona u distribucijskoj mreži, harmonijske učinke uključujući rezonanciju harmonijske frekvencije, štetne smetnje u mrežama za prijenos podataka, buku u akustičkom području, vibracije strojeva. Dugoročni problemi uključuju: prekomjerne gubitke topline u generatorima i transformatorima, pregrijavanje kondenzatora i distribucijskih mreža (žica).

Harmonici i oblik mrežnog napona

Značajne vršne struje u polovici sinusnog vala mreže dovode do povećanja vršnog faktora.Što je vršna struja veća i kraća, izobličenje je jače, dok faktor češljanja ovisi o mogućnostima izvora napajanja, o njegovom unutarnjem otporu - može li isporučiti toliku vršnu struju. Neki izvori moraju biti precijenjeni u odnosu na njihovu nazivnu snagu, na primjer u generatorima se moraju koristiti posebni namoti.

Ali besprekidni izvori napajanja (UPS) puno se bolje nose s ovim problemom: zahvaljujući dvostrukoj pretvorbi, oni su u mogućnosti kontrolirati struju opterećenja u bilo kojem trenutku i regulirati je pomoću PWM-a, čime se izbjegavaju problemi zbog visokog koeficijenta češlja struje. . Drugim riječima, visoki crest faktor nije problem za kvalitetan UPS.

Viši harmonici i pad napona

Kao što je gore navedeno, UPS-ovi dobro podnose visoke faktore vrha i njihovo izobličenje valnog oblika ne prelazi 6%. Spojne žice ovdje, u pravilu, nisu važne, prilično su kratke. Ali zbog obilja harmonika u mrežnom naponu, valni oblik struje će odstupati od sinusoidnog, posebno za neparne visokofrekventne harmonike koje uvode jednofazni i trofazni ispravljači (vidi sliku).

Kompleksna impedancija distribucijske mreže obično je induktivne prirode, stoga će strujni harmonici u velikim količinama dovesti do značajnih padova napona na vodovima duljine 100 metara, a ti padovi mogu premašiti dopuštene, uslijed čega će oblik napona na opterećenju biti iskrivljen.

Kao primjer, primijetite kako se izlazna struja jednofaznog diodnog ispravljača mijenja pri različitim mrežnim impedancijama, ovisno o otporu ulaznog filtra napajanog uređaja s ulazom bez transformatora, i kako to utječe na valni oblik napona.

Problem harmonika višekratnika terce

Treći, deveti, petnaesti itd. — viši harmonici mrežne struje karakteriziraju visoki koeficijenti amplitude. Ovi harmonici proizlaze iz jednofaznih opterećenja i njihov je učinak na trofazne sustave prilično specifičan. Ako trofazni sustav je simetričan, struje su pomaknute jedna od druge za 120 stupnjeva, a ukupna struja u neutralnoj žici je nula, - nema pada napona na žici.

To je istina u teoriji za većinu harmonika, ali neke harmonike karakterizira rotacija vektora struje u istom smjeru kao i vektor struje osnovnog harmonika. Kao rezultat toga, u neutralnom su neparni harmonici koji su višekratnici terce postavljeni jedan na drugi. A budući da su ti harmonici u većini, ukupna neutralna struja može premašiti fazne struje: recimo, fazne struje od 20 ampera dat će neutralnu struju s frekvencijom od 150 Hz na 30 ampera.

Kabel dizajniran bez uzimanja u obzir utjecaja harmonika može se pregrijati jer je, prema mišljenju, njegov presjek trebao biti povećan. Harmonijski višekratnici terce pomaknuti su u trofaznom krugu za 360 stupnjeva jedan u odnosu na drugi.

Rezonancija, smetnje, buka, vibracije, grijanje

Distribucijske mreže imaju opasnost od rezonancije kod viših harmonika struje ili napona, u tim slučajevima harmonijska komponenta ispada viša od osnovne frekvencije, što negativno utječe na komponente i opremu sustava.

Mreže za prijenos podataka koje se nalaze u blizini vodova kroz koje teku struje s višim harmonicima podložne su smetnjama, informacijski signal u njima se pogoršava, a što je udaljenost od voda do mreže manja, to je duljina njihove veze veća, to je viši harmonijska frekvencija — veće je izobličenje informacijskog signala.

Transformatori i prigušnice počinju stvarati više buke zbog viših harmonika, elektromotori doživljavaju pulsacije u magnetskom toku, što rezultira vibracijama momenta na osovini. Električni strojevi i transformatori se pregrijavaju i dolazi do gubitaka topline. U kondenzatorima se kut dielektričnog gubitka povećava s frekvencijom višom od mreže i počinju se pregrijavati, može doći do proboja dielektrika. O gubicima u vodovima zbog povećanja njihove temperature suvišno je govoriti ...