Důvody pro výskyt vyšších harmonických v moderních energetických systémech

Elektrická zařízení moderního světa jsou stále složitější, zejména pro IT technologie. Kvůli tomuto trendu musí systémy zajištění kvality elektrické energie splňovat tyto požadavky: musí jednoduše zvládat výkyvy, přepětí, poklesy napětí, šum, impulsní šum atd., aby průmyslová síť a její uživatelé mohli normálně fungovat.

Změna tvaru síťového napětí v důsledku harmonických způsobených nelineárními zátěžemi je jedním z hlavních problémů, které je třeba vyřešit. V tomto článku se podíváme na hloubkové aspekty tohoto problému.

Co je podstatou problému

Hlavní podíl současné kancelářské techniky, počítačů, kancelářské, multimediální techniky tvoří obecně nelineární zátěže, které, zapojené do společné elektrické sítě v obrovském množství, deformují tvar síťového napětí.

Toto zkreslené napětí je bolestně vnímáno jinými elektrickými zařízeními a někdy významně narušuje jejich normální provoz: způsobuje poruchy, přehřívání, narušuje synchronizaci, generuje rušení v sítích pro přenos dat, — obecně nesinusové střídavé napětí může způsobit celou řadu zařízení , procesy a nepohodlí pro lidi, včetně materiálu.

Napěťové zkreslení jako takové je popsáno dvojicí koeficientů: sinusovým faktorem, který odráží poměr efektivní hodnoty vyšších harmonických k efektivní hodnotě základní harmonické síťového napětí, a faktorem výkyvu zatížení, který se rovná poměr špičkového odběru proudu k efektivnímu zatěžovacímu proudu.

Proč jsou vyšší harmonické nebezpečné?

Účinky způsobené projevem vyšších harmonických lze rozdělit podle délky expozice na okamžité a dlouhodobé. Běžně se uvádí okamžité: zkreslení tvaru napájecího napětí, pokles napětí distribuční sítě, harmonické vlivy včetně harmonické frekvenční rezonance, škodlivé rušení v sítích pro přenos dat, hluk v akustické oblasti, vibrace strojů. Mezi dlouhodobé problémy patří: nadměrné tepelné ztráty v generátorech a transformátorech, přehřívání kondenzátorů a rozvodných sítí (vodičů).

Tvar harmonických a síťového napětí

Významné špičkové proudy v polovině sinusové vlny sítě vedou ke zvýšení činitele výkyvu.Čím vyšší a kratší špičkový proud, tím silnější je zkreslení, přičemž hřebenový faktor závisí na schopnostech napájecího zdroje, na jeho vnitřním odporu – zda ​​je schopen takový špičkový proud dodat. Některé zdroje musí být nadhodnoceny ve vztahu k jejich jmenovitému výkonu, například v generátorech musí být použita speciální vinutí.

Záložní zdroje (UPS) se však s tímto problémem vypořádají mnohem lépe: díky dvojité konverzi jsou schopny v každém okamžiku řídit zátěžový proud a regulovat jej pomocí PWM, což zabraňuje problémům způsobeným vysokým koeficientem hřebenu proudu. . Jinými slovy, vysoký faktor výkyvu není pro kvalitní UPS problémem.

Vyšší harmonické a pokles napětí

Jak je uvedeno výše, UPS dobře zvládají vysoké činitele výkyvu a jejich zkreslení tvaru vlny nepřesahuje 6 %. Připojovací vodiče zde zpravidla nevadí, jsou poměrně krátké. Ale kvůli velkému množství harmonických v síťovém napětí se bude průběh proudu odchylovat od sinusového, zejména u lichých vysokofrekvenčních harmonických zaváděných jednofázovými a třífázovými usměrňovači (viz obrázek).

Komplexní impedance distribuční sítě je obvykle indukční povahaproto harmonické proudu ve velkém množství povedou k výrazným poklesům napětí na vedeních dlouhých 100 metrů a tyto poklesy mohou překročit přípustné hodnoty, v důsledku čehož dojde ke zkreslení tvaru napětí na zátěži.

Jako příklad si všimněte, jak se výstupní proud jednofázového diodového usměrňovače mění při různých impedancích sítě v závislosti na odporu vstupního filtru napájeného zařízení s beztransformátorovým vstupem a jak to ovlivňuje průběh napětí.

Problém harmonických násobků třetiny

Třetí, devátý, patnáctý atd. — vyšší harmonické síťového proudu se vyznačují vysokými amplitudovými koeficienty. Tyto harmonické vznikají z jednofázových zátěží a jejich vliv na třífázové soustavy je zcela specifický. Li třífázový systém je symetrický, proudy jsou od sebe posunuty o 120 stupňů a celkový proud v nulovém vodiči je nulový, — na vodiči není žádný pokles napětí.

Teoreticky to platí pro většinu harmonických, ale některé harmonické jsou charakterizovány rotací vektoru proudu ve stejném směru jako vektor proudu základní harmonické. Výsledkem je, že v neutrálu jsou liché harmonické, které jsou násobky třetí, superponovány na sebe. A protože tyto harmonické jsou ve většině, celkový neutrální proud může překročit fázové proudy: řekněme fázové proudy 20 ampérů poskytnou neutrální proud s frekvencí 150 Hz při 30 ampérech.

Kabel navržený bez zohlednění vlivu harmonických se může přehřát, protože podle mínění měl být jeho průřez zvětšen. Harmonické násobky třetiny jsou v třífázovém obvodu vzájemně posunuty o 360 stupňů.

Rezonance, interference, hluk, vibrace, zahřívání

Distribuční sítě mají nebezpečí rezonance při vyšších proudových nebo napěťových harmonických se v těchto případech harmonická složka ukáže být vyšší než základní frekvence, což negativně ovlivňuje systémové komponenty a zařízení.

Datové přenosové sítě umístěné v blízkosti elektrických vedení, kterými protékají proudy s vyššími harmonickými, jsou rušeny, informační signál v nich se zhoršuje, přičemž čím kratší je vzdálenost od vedení k síti, čím větší je délka jejich spojení, tím vyšší je harmonická frekvence — čím větší je informační signál o zkreslení.

Transformátory a tlumivky začínají vydávat více hluku kvůli vyšším harmonickým, elektromotory zažívají pulsace v magnetickém toku, což má za následek vibrace točivého momentu na hřídeli. Elektrické stroje a transformátory se přehřívají a dochází k tepelným ztrátám. U kondenzátorů se úhel dielektrické ztráty zvyšuje s frekvencí vyšší než je mřížka a začnou se přehřívat, může dojít k průrazu dielektrika. Je zbytečné mluvit o ztrátách ve vedeních v důsledku zvýšení jejich teploty ...