Przyczyny pojawiania się wyższych harmonicznych we współczesnych systemach elektroenergetycznych

Sprzęt elektryczny współczesnego świata staje się coraz bardziej złożony, zwłaszcza w przypadku technologii informatycznych. Ze względu na ten trend systemy zapewnienia jakości energii muszą spełniać te wymagania: po prostu muszą bez problemu radzić sobie z wahaniami, przepięciami, zapadami napięcia, szumami, szumami impulsowymi itp., aby sieć przemysłowa i związani z nią użytkownicy mogli normalnie funkcjonować.

Jednym z głównych problemów do rozwiązania jest zmiana kształtu napięcia sieciowego pod wpływem harmonicznych powodowanych przez obciążenia nieliniowe. W tym artykule przyjrzymy się dogłębnym aspektom tego problemu.

Jaka jest istota problemu

Główny udział w obecnym sprzęcie biurowym, komputerach, sprzęcie biurowym, multimedialnym stanowią na ogół obciążenia nieliniowe, które przyłączone do wspólnej sieci elektroenergetycznej w ogromnych ilościach zniekształcają kształt napięcia sieciowego.

To odkształcone napięcie jest boleśnie odczuwane przez inne urządzenia elektryczne, a czasami znacząco zakłóca ich normalną pracę: powoduje awarie, przegrzewanie, przerywa synchronizację, generuje zakłócenia w sieciach transmisji danych — generalnie niesinusoidalne napięcie przemienne może powodować całą gamę urządzeń , procesy i niedogodności dla ludzi, w tym materialne.

Samo zniekształcenie napięcia opisuje para współczynników: współczynnik sinusoidalny, który odzwierciedla stosunek wartości skutecznej wyższych harmonicznych do wartości skutecznej harmonicznej podstawowej napięcia sieci oraz współczynnik szczytu obciążenia, równy stosunek szczytowego poboru prądu do efektywnego prądu obciążenia.

Dlaczego wyższe harmoniczne są niebezpieczne?

Skutki wywołane pojawieniem się wyższych harmonicznych można podzielić ze względu na czas trwania narażenia na doraźne i długotrwałe. Często wymienia się chwilowe: zniekształcenia kształtu napięcia zasilania, spadki napięcia w sieci dystrybucyjnej, efekty harmoniczne w tym rezonans częstotliwości harmonicznych, szkodliwe zakłócenia w sieciach transmisji danych, hałas w zakresie akustycznym, wibracje maszyn. Do problemów długotrwałych należą: nadmierne straty ciepła w generatorach i transformatorach, przegrzewanie się kondensatorów i sieci dystrybucyjnych (przewodów).

Harmoniczne i kształt napięcia sieciowego

Znaczne prądy szczytowe w połowie sinusoidy sieci prowadzą do wzrostu współczynnika szczytu.Im wyższy i krótszy prąd szczytowy, tym silniejsze zniekształcenia, natomiast współczynnik grzebienia zależy od możliwości źródła zasilania, od jego rezystancji wewnętrznej - czy jest w stanie dostarczyć taki prąd szczytowy. Niektóre źródła muszą być przeceniane w stosunku do swojej mocy znamionowej, np. w generatorach należy stosować specjalne uzwojenia.

Ale zasilacze bezprzerwowe (UPS) radzą sobie z tym problemem znacznie lepiej: dzięki podwójnej konwersji są w stanie w każdej chwili kontrolować prąd obciążenia i regulować go za pomocą PWM, co pozwala uniknąć problemów z powodu wysokiego współczynnika grzebienia prądu . Innymi słowy, wysoki współczynnik szczytu nie stanowi problemu dla zasilacza UPS wysokiej jakości.

Wyższe harmoniczne i spadek napięcia

Jak wspomniano powyżej, zasilacze UPS dobrze radzą sobie z wysokimi współczynnikami szczytu, a ich zniekształcenia kształtu fali nie przekraczają 6%. Przewody łączące tutaj z reguły nie mają znaczenia, są dość krótkie. Jednak ze względu na obfitość harmonicznych w napięciu sieciowym, przebieg prądu będzie odbiegał od sinusoidalnego, zwłaszcza w przypadku nieparzystych harmonicznych o wysokiej częstotliwości wprowadzanych przez prostowniki jednofazowe i trójfazowe (patrz rysunek).

Złożona impedancja sieci dystrybucyjnej jest zwykle charakter indukcyjnyw związku z tym harmoniczne prądu w dużych ilościach doprowadzą do znacznych spadków napięć na liniach o długości 100 metrów, a spadki te mogą przekraczać dopuszczalne, w wyniku czego kształt napięcia na obciążeniu zostanie zniekształcony.

Jako przykład zauważ, jak zmienia się prąd wyjściowy jednofazowego prostownika diodowego przy różnych impedancjach sieci, w zależności od rezystancji filtra wejściowego zasilanego urządzenia z wejściem beztransformatorowym i jak to wpływa na przebieg napięcia.

Zagadnienie wielokrotności harmonicznych tercji

Trzeci, dziewiąty, piętnasty itd. — wyższe harmoniczne prądu sieciowego charakteryzują się wysokimi współczynnikami amplitudy. Te harmoniczne wynikają z obciążeń jednofazowych, a ich wpływ na systemy trójfazowe jest dość specyficzny. Jeśli układ trójfazowy jest symetryczny, prądy są przesunięte względem siebie o 120 stopni, a całkowity prąd w przewodzie neutralnym wynosi zero, — nie ma spadku napięcia na przewodzie.

Jest to prawdą w teorii dla większości harmonicznych, ale niektóre harmoniczne charakteryzują się obrotem wektora prądu w tym samym kierunku, co wektor prądu podstawowej harmonicznej. W rezultacie w neutralnym harmoniczne nieparzyste, które są wielokrotnościami trzeciej, nakładają się na siebie. A ponieważ te harmoniczne są w większości, całkowity prąd neutralny może przekroczyć prądy fazowe: powiedzmy, prądy fazowe 20 amperów dadzą prąd neutralny o częstotliwości 150 Hz przy 30 amperach.

Kabel zaprojektowany bez uwzględnienia wpływu harmonicznych może się przegrzewać, bo w myślach powinien był zwiększyć swój przekrój. Harmoniczne wielokrotności trzeciej są przesunięte w obwodzie trójfazowym o 360 stopni względem siebie.

Rezonans, interferencja, hałas, wibracje, nagrzewanie

Sieci dystrybucji mają niebezpieczeństwo rezonansu przy wyższych harmonicznych prądu lub napięcia, w tych przypadkach składowa harmoniczna okazuje się wyższa niż częstotliwość podstawowa, co negatywnie wpływa na elementy systemu i urządzenia.

Sieci transmisji danych zlokalizowane w pobliżu linii elektroenergetycznych, przez które płyną prądy o wyższych harmonicznych ulegają zakłóceniom, sygnał informacyjny w nich ulega pogorszeniu, natomiast im mniejsza odległość linii od sieci, tym większa długość ich połączenia, tym wyższa częstotliwość harmoniczna — im większe zniekształcenie sygnału informacyjnego.

Transformatory i dławiki zaczynają hałasować z powodu wyższych harmonicznych, silniki elektryczne doświadczają pulsacji strumienia magnetycznego, co powoduje drgania momentu obrotowego na wale. Maszyny elektryczne i transformatory przegrzewają się i występują straty ciepła. W kondensatorach kąt strat dielektrycznych wzrasta z częstotliwością wyższą niż siatka i zaczynają się przegrzewać, może wystąpić przebicie dielektryczne. Nie ma co mówić o stratach w przewodach na skutek wzrostu ich temperatury...