Zdroje harmonických v elektrických sítích

Vzhledem k tomu, že nelineární prvky jsou vždy přítomny v moderní elektrotechnice, zejména v průmyslových sítích, v důsledku toho jsou křivky proudu a křivky napětí zkreslené, v sítích se objevují vyšší harmonické.

Za prvé, nesinusovost je způsobena přítomností statických měničů, dále - synchronních generátorů, svařovacích strojů, zářivek, obloukových pecí, transformátorů, motorů a dalších nelineárních zátěží.

Matematicky lze nesinusovost křivek proudu a napětí vyjádřit jako součet hlavní harmonické frekvence sítě a jejích vyšších harmonických, které jsou jejími násobky. Výsledkem harmonické analýzy je trigonometrická Fourierova řada a hodnoty frekvencí a fází výsledných harmonických lze snadno vypočítat pomocí vzorce:

Ve skutečnosti může být výsledná kombinace nesinusových napětí a proudů v třífázové síti asymetrická nebo symetrická.Symetrická soustava nesinusových napětí pro násobky tří harmonických (k = 3n) vede k vytvoření soustavy napětí nulové složky.

Dále, při k = 3n + 1 harmonická v třífázové síti generuje symetrický systém záporných sousledných napětí. Takže každá k-harmonika symetrického systému nesinusových napětí vede k symetrickému systému fázových napětí přímé, reverzní nebo nulové sekvence.

V praxi se však systém fázových nesinusových napětí ukazuje jako asymetrický. Tak, magnetická jádra třífázových transformátorů samy o sobě jsou nelineární a asymetrické, protože délky magnetických drah pro střední a konečnou fázi se liší faktorem 1,9. V důsledku toho jsou efektivní hodnoty magnetizačních proudů střední fáze 1,3 – 1,55 krát menší než hodnoty magnetizačních proudů pro koncové fáze.

Asymetrické harmonické se rozkládají na symetrické složky, když každá k-harmonická tvoří asymetrický systém fázových napětí a typicky obsahuje složky tří sekvencí – nulové, dopředné a zpětné.

Třífázové sítě s izolovaným neutrálem se vyznačují absencí nulových složek v každé z fází za předpokladu, že nedochází k zemnímu spojení. V důsledku toho neexistují násobky tří harmonických ve fázových proudech, ale existují jiné harmonické, které obsahují složky reverzní a kladné sekvence.

Výkonové usměrňovače mají zpravidla na stejnosměrné straně velké indukčnosti, což jsou stejnosměrná strojní vinutí a vyhlazovací tlumivky.Tyto indukčnosti jsou mnohonásobně vyšší než ekvivalentní indukčnost strany střídavého proudu, proto se takové usměrňovače vůči střídavé síti chovají jako zdroje vyššího harmonického proudu. Proud směrovaný do sítě s harmonickou frekvencí má hodnotu nezávislou na parametrech napájecí sítě.

Pro třífázové elektrické sítě je charakteristické použití třífázových celovlnných usměrňovačů pro 6 ventilů jako takových měničů, z nichž se nazývají šestipulzní nebo šestifázové. Průběh proudu pro každou z fází lze v tomto případě popsat rovnicí (pro proud jedné fáze A):

Je vidět, že fázové proudy obsahují pouze liché harmonické, které nejsou násobky tří, a znaménka těchto harmonických se střídají: kladné harmonické 6k + 1. řádu a záporné harmonické 6k-1. řádu.

Při použití dvanáctifázového usměrňovače, kdy je dvojice šestifázových usměrňovačů připojena k dvojici třífázových transformátorů (sekundární napětí jsou fázově posunuta o pi / 6), pak harmonické 12k + 1 a 12k- Objeví se 1-objednávky, resp.

Před použitím usměrňovačů byly hlavním zdrojem vyšších harmonických v elektrických sítích pouze transformátory a různé elektrické stroje. Ale i dnes jsou transformátory nejběžnějšími prvky elektrických sítí.

Důvodem, proč transformátory generují vyšší harmonické, je nelineární magnetizační křivka magnetických obvodů a jejich stálá přítomnost hysterezní smyčky… Nelineární magnetizační křivka a hysterezní smyčka generují zkreslení původního sinusového magnetizačního proudu naprázdno a výsledkem jsou vyšší harmonické v proudu, který transformátor odebírá ze sítě.

Transformátory třídy 110 kV nemají více než 1% proudu naprázdno a transformátory třídy 6-10 kV - ne více než 2-3%. Jde o malé proudy a jejich aktivní ztráty v magnetickém obvodu jsou zanedbatelné. Důležitá je magnetizační křivka, nikoli hysterezní smyčka.

Magnetizační křivka je symetrická a v expanzi Fourierovy řady nejsou ani harmonické. Zkreslení magnetizačního proudu je způsobeno lichými harmonickými, mezi nimiž jsou násobky tří. Třetí harmonická je zvláště výrazná, ale pátá a sedmá harmonická jsou také nejvýznamnější.

EMF harmonické a proudové harmonické jsou také charakteristické pro motory, synchronní i asynchronní… Tyto harmonické jsou způsobeny stejnými jevy jako proudové harmonické generované transformátory – nelinearitou magnetizační křivky materiálů, ze kterých jsou vyrobeny stator a rotor.

Frekvenční spektrum proudových harmonických elektromotorů, stejně jako u transformátorů, zahrnuje liché harmonické, mezi nimiž jsou zjevně násobky tří. Nejvýznamnější jsou zde 3., 5. a 7. harmonická.

Stejně jako v případě transformátorů nám hrubé výpočty umožňují vzít procento proudů 3., 5. a 7. harmonické 40 % pro třetí harmonickou, 30 % pro pátou harmonickou a 20 % pro sedmou harmonickou (procento z proud naprázdno).