Site Loader

Содержание

Гармоники в электрических сетях: причины, источники, способы защиты

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине.

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные.  То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие.

Гармоники и их сложение

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник.

Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

  • Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
  • Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
  • Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

  • по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
  • по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
  • по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети.  Из которых особо следует выделить:

  • Сопутствующий нагрев
    , выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и.т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
  • Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
  • Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
  • Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
  • Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
  • Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
  • Потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Рис. 2. Развитие тока в нейтрали

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник.

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Рис. 3. Схема  LC-фильтра

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке RН.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров,  их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Шунтирующий фильтр

За счет того, что каждая цепочка  L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Рис. 5 Принцип действия активного кондиционера гармоник

Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток ips, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая in. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов iahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.

Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.

Список использованной литературы

  • Арриллага Дж., Брэдли Д., Боджер П. «Гармоники в электрических системах» 1990
  • Бржезицкий В.А., Найдовский А. В., Бутов С. В. «О влиянии высших гармонических составляющих напряжения на характеристики измерительных трансформаторов» 1983
  • Волков А.И., Макарова ТМ., Полевая В.П., Рыжов ЮМ., Федченко В.Г. «О влиянии долевого участия выпрямительной нагрузки на гармонический состав напряжения автономной системы» 1974
  • Жаркий А.Ф., Каплычный Н.Н. «Анализ высших гармоник в низковольтных сетях с помощью традиционных моделей» 2001
  • Шидловский А.К., Драбович Ю.И., Комаров Н.С., Москаленко ГА., Козлов А.В. «Анализ гармонического состава потребляемого тока преобразователя переменного напряжения в постоянное с улучшенной электромагнитной совместимостью»  1987

Гармонические составляющие сети.

Что это такое и как с ними быть

Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети — высших гармониках, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это в свою очередь становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т.д.

Откуда же берутся эти гармонические составляющие?

Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность, емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.

Связано это в первую очередь с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.

Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих, так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники 3-го порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники 5-го порядка – 250 Гц и т.д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.

Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12 %. Также в этом ГОСТ приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для 3-ей гармоники это 5%, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.

Немного расчётов

Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total Harmonic Distorsions).

U (1) – действующее значение напряжения 1-ой гармоники

U (2), U (3) … U (40) – действующие значения напряжения высших гармоник.

Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты.

Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения

n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте

По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.

Основные характеристики гармоник

Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.

  • Порядковый номер гармоники — это число,показывающее во сколько раз частота гармонической составляющей превышает частоту основной гармоники.
  • Частота гармоники определяется путем умножения порядкового номера гармоники на значение основной частоты — 50 Гц.
  • По типу последовательности разделяют гармоники прямой, обратной и нулевой последовательности. Гармоники 4, 7, 10, 13 и т. д. порядка образуют симметричную систему напряжений прямой последовательности, то есть совпадающей с последовательностью фаз первой гармоники. Гармоники 2, 5, 8, 11, 14 и т.д. образуют системы напряжений обратной последовательности по отношению к основной частоте. Гармоники с порядковым номером, кратным третьей гармоники (3, 6, 9, 12 и.д.) имеют нулевой порядок следования фаз, т.е. совпадают, и, следовательно, образуют симметричные системы нулевой последовательности.

Последствия возникновения

Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей?

На самом деле негативных воздействий немало, это увеличение потерь в сетях, перегрев трансформаторов,перегрузки на нейтральных проводах, гармонические шумы, искажение формы синусоидальной кривой, перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности, поверхностный эффект. И это еще перечислены не все негативные последствия данного эффекта. Все эти факторы приводят в конечном итоге к экономическим, энергетическим потерям и сокращению срока службы оборудования.

Поэтому в случае увеличения количества гармоник и их выхода за допустимые пределы, необходимо задуматься о принятии решений для снижения их уровня, при этом предварительно проводятся измерения гармонических искажений, по результату которых уже определяются необходимые меры .

Измерение показателей гармоник в сети

Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или по другому анализаторы качества электроэнергии.

Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии, таким как:

  • коэффициент мощности
  • коэффициент амплитуды
  • среднеквадратичные значения тока и напряжения
  • значения активной, реактивной и полной мощности
  • активной и реактивной энергии в прямом и обратном направлении
  • суммарный коэффициент гармоник THD тока и напряжения
  • коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения
  • дисбаланс напряжения

И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.

Кроме этого, анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы и выходы.

Способы уменьшения гармонических составляющих

На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.

К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей, применение изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник» и «звезда», применение пассивных и активных фильтров.

Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.

Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока, для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока.

Помимо дросселей широко применяются пассивные и активные фильтры.

Пассивный фильтр гармоник

Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).

Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.

Активный фильтр гармоник

Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.

Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.

Гармоники в электрических сетях для чайников

Определение гармоник

График сигнала, который изменяется по синусоидальному закону, имеет вид:

Но это значительно отличается от реальной формы напряжения в электрической сети:

Эти зазубрины и всплески и вызваны гармониками. Мы попытаемся рассказать об этом явлении простыми словами. Изображенный выше график можно представить как сумму сигналов различной частоты и величины. Если всё это сложить, то в результате получится именно такой сигнал. Пример и результат сложения сигналов изображен на графике ниже:

Гармоники различают по номерам, где первая гармоника — это та составляющая, у которой самая большая величина. Однако такое описание слишком кратко. Поэтому давайте приведем формулу определения величины гармоники. Это возможно при гармоническом анализе и разложении в ряд Фурье:

Из этой формулы можно выделить и величины частот и фаз гармонических составляющих электрической сети и любого другого синусоидального сигнала.

Источники помех

К источникам помех можно отнести целый ряд оборудования, начиная от бытовых приборов, заканчивая мощными промышленными электрическими машинами. Для начала давайте кратко рассмотрим причины их возникновения.

Гармоники в электрической сети переменного тока возникают из-за особенностей электрооборудования, например из-за нелинейности их характеристик, или характера потребления тока.

Например, в трёхфазных сетях в магнитопроводах трансформаторов длины магнитных путей средних и крайних фаз различаются почти в 2 раза, поэтому и токи их намагничивания различаются до полутора раз. Отсюда возникают гармоники в трёхфазных сетях.

Другой источник помех в электротехнике — это электродвигатели, как трёхфазные синхронные и асинхронные, так и однофазные, в том числе и универсальные коллекторные двигатели. Последний тип двигателей используется в большей части бытовой техники, например:

  • стиральные машины;
  • кухонные комбайны;
  • дрели, болгарки, перфораторы и пр.

В результате работы импульсных блоков питания возникают высокочастотные гармоники (помехи) в электрической сети. Чтобы понять как они образуются, нужно иметь сведения об их внутреннем устройстве. Это связано с тем, что ток первичной обмотки ИБП отличается от непрерывного, он протекает только тогда, когда открыт силовой полупроводниковый ключ. А последний открывается и закрывается с частотой выше 20 кГц.

Интересно: Рабочая частота некоторых современных импульсных блоков питания достигает 150 кГц.

Для уменьшения этих гармоник используют фильтры электромагнитных помех, например, синфазный дроссель и конденсаторы. Для улучшения графика потребления тока относительно питающего однофазного напряжения используют активные корректоры коэффициента мощности (рус. ККМ, англ. PFC).

Такие блоки питания установлены в:

  • светодиодных лампах;
  • ЭПРА для люминесцентных ламп;
  • компьютерные блоки питания;
  • современные зарядные устройства для мобильных телефонов;
  • телевизоры и прочая техника.

Также к этим источникам питания можно отнести и преобразователи частоты.

Последствия гармонических помех

Наличие гармоник в электрической сети переменного тока вызывает определенные проблемы. Среди них – повышенный нагрев электродвигателей и питающих проводов. Последствия влияния гармоник – это вибрация двигателей. Дальнейшие последствия могут быть различными – начиная от ускоренного износа подшипников ротора двигателя, заканчивая пробоем на корпус обмоток от повышенного нагрева.

В электрике встречаются ложные срабатывания коммутационной и защитной аппаратуры – автоматических выключателей, контакторов и магнитных пускателей. В звуковой аппаратуре и технике для связи из-за гармоник возникают помехи. С ними борются аналогично – установкой фильтров электромагнитных помех.

На видео ниже рассказывается, что такое гармоники и интергармоники в электросети:

В заключение хотелось бы отметить, что гармоники в электрических сетях в принципе не несут никакой пользы. Они лишь вызывают неисправности, ложные срабатывания коммутационной аппаратуры и прочие проявления нестабильности в работе. Это может нести не только неудобства в эксплуатации, но и экономические проблемы, убытки и аварийные ситуации, которые могут быть опасны для жизни.

Материалы по теме:

В данной статье мы рассмотрим что такое гармоники, фундаментальную частоту и сложные формы волны из-за гармоник, в конце статьи подведем краткие итоги по этой теме.

Что такое гармоники

Гармоники — это нежелательные более высокие частоты, которые накладываются на основную форму волны, создавая искаженную волновую картину.

В цепи переменного тока сопротивление ведет себя точно так же, как в цепи постоянного тока. То есть ток, протекающий через сопротивление, пропорционален напряжению на нем. Это связано с тем, что резистор является линейным устройством, и если приложенное к нему напряжение представляет собой синусоидальную волну, ток, протекающий через него, также является синусоидальной, поэтому разность фаз между двумя синусоидами равна нулю.

Как правило, при работе с переменными напряжениями и токами в электрических цепях предполагается, что они имеют чистую и синусоидальную форму с присутствием только одного значения частоты, называемого «основной частотой», но это не всегда так.

В электрическом или электронном устройстве или цепи, которая имеет вольт-амперную характеристику, которая не является линейной, то есть ток, протекающий через нее, не пропорционален приложенному напряжению. Чередующиеся сигналы, связанные с устройством, будут отличаться в большей или меньшей степени от сигналов идеальной синусоидальной формы. Эти типы сигналов обычно называют несинусоидальными или сложными сигналами.

Сложные сигналы генерируются обычными электрическими устройствами, такими как индукторы с железной сердцевиной, переключающие трансформаторы, электронные балласты в люминесцентных лампах и другие такие сильно индуктивные нагрузки, а также формы выходного напряжения и тока генераторов переменного тока, генераторов и других подобных электрических машин. В результате форма волны тока не может быть синусоидальной, даже если форма волны напряжения есть.

Также большинство электронных схем переключения источников питания, таких как выпрямители, кремниевые выпрямители (SCR), силовые транзисторы, преобразователи питания и другие подобные твердотельные переключатели, которые отключают и измельчают источники питания синусоидальной формы волны для управления мощностью двигателя или преобразования синусоидального источника переменного тока в постоянный. Эти переключающие схемы имеют тенденцию потреблять ток только при пиковых значениях источника переменного тока, и, поскольку форма сигнала переключающего тока не является синусоидальной, результирующий ток нагрузки, как говорят, содержит гармоники.

Несинусоидальные сложные формы волны создаются путем «сложения» серии синусоидальных частот, известных как «гармоники». Гармоники — это обобщенный термин, используемый для описания искажения синусоидальной формы волны сигналами разных частот.

Тогда независимо от формы сложную форму волны можно математически разделить на отдельные компоненты, называемые основной частотой и рядом «гармонических частот». Но что мы понимаем под «фундаментальной частотой»?

Фундаментальная частота

Фундаментальные формы волны (или первая гармоника) является синусоидальным сигналом , который имеет частоту питания. Фундаментальным является самой низкой или базовой частотой, ƒ , на которой построен комплекс формы сигнала и в качестве такового периодического времени, Τ результирующего комплексного сигнала будет равен периоду основной частоты.

Давайте рассмотрим основной сигнал переменного тока первой гармоники, как показано на рисунке.

Мы можем видеть, что синусоидальная форма волны представляет собой переменное напряжение (или ток), которое изменяется как синусоидальная функция угла, 2πƒ . Частоты формы волны, ƒ определяется числом циклов в секунду. В Соединенном Королевстве эта основная частота установлена ​​на 50 Гц, тогда как в Соединенных Штатах она составляет 60 Гц.

Гармоники — это напряжения или токи, которые работают на частоте, которая является целым (целым числом) кратным основной частоте. Таким образом, для основной формы волны 50 Гц это означает, что частота 2-й гармоники будет 100 Гц (2 x 50 Гц), 3-й гармоники будет 150 Гц (3 x 50 Гц), 5-й = 250 Гц, 7-й = 350 Гц и так далее. Аналогичным образом, с учетом основной формы волны 60 Гц частоты 2-й, 3-й, 4-й и 5-й гармоник будут равны 120 Гц, 180 Гц, 240 Гц и 300 Гц соответственно.

Другими словами, мы можем сказать, что «гармоники» являются кратными основной частоты и поэтому могут быть выражены как: 2ƒ , 3ƒ , 4ƒ и т. д.

Сложные формы волны

Обратите внимание, что красные формы волны, приведенные выше, являются фактическими формами сигналов, видимыми нагрузкой, из-за гармонического содержания, добавляемого к основной частоте.

Основной сигнал также можно назвать сигналом 1 й гармоники. Поэтому вторая гармоника имеет частоту, в два раза превышающую частоту основной, третья гармоника имеет частоту, в три раза превышающую основную, а четвертая гармоника имеет частоту, в четыре раза превышающую основную, как показано в левом столбце.

Правый столбец показывает сложную форму волны, сгенерированную в результате эффекта между добавлением основной формы волны и форм гармонических колебаний на разных частотах гармоник. Обратите внимание, что форма результирующего сложного сигнала будет зависеть не только от количества и амплитуды присутствующих частот гармоник, но также и от соотношения фаз между основной или базовой частотой и отдельными частотами гармоник.

Мы можем видеть, что сложная волна состоит из основной формы волны плюс гармоники, каждая из которых имеет свое пиковое значение и фазовый угол. Например, если основная частота задана как: E = V MAX(2πƒt) или V MAX(ωt) , значения гармоник будут заданы:

Для второй гармоники:

Е 2= V 2max(2 * 2πƒt) = V 2max(4πƒt) = V 2max(2ωt)

Для третьей гармоники:

E 3= V 3max(3 * 2πƒt) = V 3max(6πƒt), = V 3max(3ωt)

Для четвертой гармоники:

E 4= V 4max(4 * 2πƒt) = V 4max(8πƒt), = V 4max(4ωt)

Тогда уравнение, данное для значения сложной формы волны, будет иметь вид:

Гармоники обычно классифицируются по их названию и частоте, например, 2- й гармонике основной частоты при 100 Гц, а также по их последовательности. Гармоническая последовательность относится к векторному вращению гармонических напряжений и токов по отношению к основной форме волны в сбалансированной 3-фазной 4-проводной системе.

Гармоника прямой последовательности (4-й, 7-й, 10-й,…) будет вращаться в том же направлении (вперед), что и основная частота. Тогда как гармоника обратной последовательности (2-й, 5-й, 8-й,…) вращается в противоположном направлении (обратном направлении) основной частоты.

Как правило, гармоники прямой последовательности нежелательны, поскольку они ответственны за перегрев проводников, линий электропередач и трансформаторов из-за добавления сигналов.

С другой стороны, гармоники обратной последовательности циркулируют между фазами, создавая дополнительные проблемы с двигателями, поскольку противоположное вращение вектора ослабляет вращательное магнитное поле, необходимое для двигателей, и особенно асинхронных двигателей, заставляя их создавать меньший механический крутящий момент.

Другой набор специальных гармоник, называемых «тройками» (кратными трем), имеют нулевую последовательность вращения. Тройки — это кратные третьей гармоники (3-й, 6-й, 9-й, …) и т.д., отсюда и их название, и поэтому они смещены на ноль градусов. Гармоники нулевой последовательности циркулируют между фазой и нейтралью или землей.

В отличие от гармонических токов прямой и обратной последовательностей, которые взаимно компенсируют друг друга, гармоники третьего порядка не компенсируются. Вместо этого сложите арифметически в общем нейтральном проводе, который подвергается воздействию токов всех трех фаз.

В результате амплитуда тока в нейтральном проводе из-за этих тройных гармоник может быть в 3 раза больше амплитуды фазового тока на основной частоте, что делает его менее эффективным и перегретым.

Затем мы можем суммировать эффекты последовательности, кратные основной частоте 50 Гц:

Название Основная Вторая Третья Четвертая Пятая Шестая Седьмая Восьмая Девятая
Частота, Гц 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Последовательность + + +

Обратите внимание, что та же самая гармоническая последовательность также применяется к основным сигналам 60 Гц.

Последовательность Вращение Гармонический эффект
+ Вперед Чрезмерный эффект нагрева
Обратный ход Проблемы с крутящим моментом двигателя
Нет Добавляет напряжения и / или токи в нейтральный провод, вызывая нагрев

Резюме по гармоникам

Гармоники — это высокочастотные сигналы, накладываемые на основную частоту, то есть частоту цепи, и которые достаточны для искажения формы волны. Величина искажения, применяемого к основной волне, будет полностью зависеть от типа, количества и формы присутствующих гармоник.

Гармоники были в достаточном количестве только в течение последних нескольких десятилетий с момента появления электронных приводов для двигателей, вентиляторов и насосов, цепей переключения электропитания, таких как выпрямители, преобразователи питания и тиристорные регуляторы мощности, а также большинства нелинейных электронных фаз с управлением нагрузки и высокочастотные (энергосберегающие) люминесцентные лампы. Это связано, главным образом, с тем фактом, что управляемый ток, потребляемый нагрузкой, не точно соответствует синусоидальным сигналам питания, как в случае выпрямителей или силовых полупроводниковых коммутационных цепей.

Гармоники в системе распределения электроэнергии в сочетании с источником основной частоты (50 Гц или 60 Гц) создают искажения формы сигналов напряжения и / или тока. Это искажения создают сложную форму волны, состоящую из ряда частот гармоник, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на электрооборудование и линии электропередач.

Величина искажения формы волны, придающая сложной форме ее характерную форму, напрямую связана с частотами и величинами наиболее доминирующих гармонических компонентов, частота гармоник которых кратна (целым числам) основной частоты. Наиболее доминирующими гармоническими составляющими являются гармоники низкого порядка со 2- го по 19- е, причем тройки являются наихудшими.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине [ 1 ].

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные. То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие [ 2 ].

Гармоники и их сложение

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник. Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

  • Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
  • Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
  • Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

  • по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
  • по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
  • по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:

  • Сопутствующий нагрев, выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и.т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
  • Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
  • Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
  • Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
  • Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
  • Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
  • Потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Рис. 2. Развитие тока в нейтрали

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник [ 3 ].

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Рис. 3. Схема LC-фильтра

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке RН.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров, их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Шунтирующий фильтр

За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Рис. 5 Принцип действия активного кондиционера гармоник

Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток ips, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая in. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов iahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.

Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.

Что такое гармоники в электрических сетях

Гармоники тока и напряжения в электросетях

Проблема гармоник….

Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети. Если вы сталкиваетесь с таким оборудованием или имеете опыт работы в сетях с гармониками, тогда дроссели с конденсаторами или фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) могут прийти вам на помощь. Гармонические искажения и связанные с этим проблемы в электрических сетях, становятся все более превалирующими в распределительных сетях.

Проблемы создаваемые гармониками.

дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т. п.;

ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;

наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;

гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;

повреждение чувствительного электронного оборудования;

интерференция систем коммуникации.

Следующие разделы являются описанием гармоник, характеризацией проблемы и поиском решения.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников.

Сейчас, широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска пришедшие на смену устаревшим устройствам изменили картину формы тока и напряжения в электросетях. Хотя твердотельные реле, такие как тиристоры привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они, также, создали проблему генерации гармоник тока. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать косинусные конденсаторы служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты, снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него).

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты.

Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы)

Насыщаемые устройства: Трансформаторы, двигатели, генераторы, и т. д. Гармонические амплитуды на этих устройствах являются обычно незначительна по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии что насыщение не происходит.

Форма синусоиды тока

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (т.е 1-я гармоника=50 Гц, 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Переходные возмущения обычно решаются путем установки подавляющих или разделяющих (изолирующих) устройств, таких как импульсных конденсаторов, изолирующих (разделяющих) трансформаторов. Эти устройства помогают устранить переходные возмущения, но они не помогают устранить гармоники низких порядков или устранить проблемы резонанса в связи с присутствием гармоник в сети.

Гармоническое содержание синусоиды

Тиристоры и SCR выпрямители обычно проявляются числом пульсаций постоянного тока которые они производят каждый период. Обычно это 6-и или 12-пульсные выпрямители. Есть много факторов, которые могут влиять на гармоническое содержание, но типичные гармонические токи, показанные как процент от фундаментального тока 50 Гц, показаны в таблице. Другие номера гармоник также будут присутствовать, в небольшой степени, но из практических соображений они не приводятся.

Гармоники в электрических сетях: причины, источники, защита

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине [ 1 ].

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные. То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие [ 2 ].

Гармоники и их сложение

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник. Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

  • Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
  • Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
  • Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

  • по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
  • по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
  • по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:

  • Сопутствующий нагрев, выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и. т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
  • Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
  • Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
  • Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
  • Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
  • Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
  • Потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Рис. 2. Развитие тока в нейтрали

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник [ 3 ].

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Рис. 3. Схема LC-фильтра

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке RН.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров, их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Шунтирующий фильтр

За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Рис. 5 Принцип действия активного кондиционера гармоник

Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток ips, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая in. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов iahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.

Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.

Высшие гармоники в электросетях

Постоянный рост количества нелинейных потребителей в наших электрических сетях приводит к повышенному “загрязнению электросетей”. Обратное воздействие на сеть является для энергетики такой же проблемой, как загрязнение воды и воздуха для экологии.

В идеальном случае на выходных клеммах генераторы выдается чисто синусоидальный ток. Синусоидальное напряжение рассматривается как идеальная форма переменного напряжения, любое отклонение от него считается сетевой помехой.

Рис.1 Обратные воздействия на сеть, вызванные преобразователями частоты.

Все больше потребителей получают из сети несинусоидальный ток. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) этих “загрязненных” токовых волн показывает наличие широкого спектра колебаний с гармониками различного порядка, которые обычно называют высшими гармониками.

Рис.2 Анализ высших гармоник (Быстрое преобразование Фурье)

Высшие гармоники наносят вред электрическим сетям, они опасны для подключенных потребителей так же, как загрязненная вода вредна для организма человека. Они приводят к перегрузкам, снижают срок службы и, при определенных условиях могут вызывать преждевременный выход из строя электрических и электронных потребителей.

Нагрузка высшими гармониками является основной причиной невидимых проблем с качеством напряжения, приводящих к огромным расходам на ремонт или покупку нового оборудования взамен поврежденного. Недопустимо высокое обратное воздействие на сеть и вызванное им низкое качество напряжения могут, таким образом, вызвать сбои производственного процесса вплоть до остановки производства.

Высшие гармоники – это токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50/60 Гц и кратна этой частоте основного колебания. Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают только термическую нагрузку на сеть. Поскольку токи высших гармоник протекают в дополнение к “активным” синусоидальным колебаниям, они обеспечивают электрические потери в рамках электроустановки, что может привести к термической перегрузке. Дополнительные потери в потребителе электроэнергии приводят, кроме того к нагреву и перегреву, а также к сокращению срока службы оборудования.

Оценка нагрузки высшими гармониками, как правило, выполняется в точке подключения (или передачи в сеть электроснабжения общего пользования) соответствующей организации по энергоснабжению. Все чаще эти точки называют Point of Common Coupling (PCC). При определенных условиях может потребоваться определение и анализ нагрузки высшими гармониками со стороны определенного оборудования или групп оборудования для выявления внутренних проблем с качеством электрической сети и их причин, их вызывающих.

Рис.3 Поврежденные высшими гармониками конденсаторы

Для оценки нагрузки высшими гармониками используются следующие параметры:

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD)

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD) или общее гармоническое искажение позволяет квалифицировать размер долей, возникающих в результате нелинейного искажения электрического сигнала. Это отношение эффективного значения высших гармоник к эффективному значению первой гармоники. Значение THD используется в сетях низкого, среднего и высокого напряжения. Обычно для искажения тока используется коэффициент THDi , а для искажения напряжения – коэффициент THDu.

Коэффициент искажения для напряжения
  • M = порядковый номер высшей гармоники
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)
  • Основная гармоника fund соответствует n = 1

Коэффициент искажения для тока
  • M = порядковый номер высшей гармоники
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)
  • Основная гармоника fund соответствует n = 1

Общее искажение тока (TDD)

Особенно в Северной Америке термин TDD регулярно используется в связи с проблемами, вызванными высшими гармониками. Это величина, связанная с THDi, но в этом случае определяется отношение доли высших гармоник к доле основных колебаний номинального значения тока. Таким образом, TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (аналогично THDi) и возникающим на протяжении определенного периода эффективным значением тока при полной нагрузке. Обычно период равен 15 или 30 минутам.

TDD (I)
  • TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (THDi) эффективным значением
  • тока при полной нагрузке.
  • IL = полный ток нагрузки
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)

Анализ гармоник (тока и напряжения) могут проводить практически все анализаторы ПКЭ Janitza, за исключением UMG 96L.

Что такое гармоники в электрических сетях

Определение гармоник

График сигнала, который изменяется по синусоидальному закону, имеет вид:

Но это значительно отличается от реальной формы напряжения в электрической сети:

Эти зазубрины и всплески и вызваны гармониками. Мы попытаемся рассказать об этом явлении простыми словами. Изображенный выше график можно представить как сумму сигналов различной частоты и величины. Если всё это сложить, то в результате получится именно такой сигнал. Пример и результат сложения сигналов изображен на графике ниже:

Гармоники различают по номерам, где первая гармоника — это та составляющая, у которой самая большая величина. Однако такое описание слишком кратко. Поэтому давайте приведем формулу определения величины гармоники. Это возможно при гармоническом анализе и разложении в ряд Фурье:

Из этой формулы можно выделить и величины частот и фаз гармонических составляющих электрической сети и любого другого синусоидального сигнала.

Источники помех

К источникам помех можно отнести целый ряд оборудования, начиная от бытовых приборов, заканчивая мощными промышленными электрическими машинами. Для начала давайте кратко рассмотрим причины их возникновения.

Гармоники в электрической сети переменного тока возникают из-за особенностей электрооборудования, например из-за нелинейности их характеристик, или характера потребления тока.

Например, в трёхфазных сетях в магнитопроводах трансформаторов длины магнитных путей средних и крайних фаз различаются почти в 2 раза, поэтому и токи их намагничивания различаются до полутора раз. Отсюда возникают гармоники в трёхфазных сетях.

Другой источник помех в электротехнике — это электродвигатели, как трёхфазные синхронные и асинхронные, так и однофазные, в том числе и универсальные коллекторные двигатели. Последний тип двигателей используется в большей части бытовой техники, например:

  • стиральные машины;
  • кухонные комбайны;
  • дрели, болгарки, перфораторы и пр.

В результате работы импульсных блоков питания возникают высокочастотные гармоники (помехи) в электрической сети. Чтобы понять как они образуются, нужно иметь сведения об их внутреннем устройстве. Это связано с тем, что ток первичной обмотки ИБП отличается от непрерывного, он протекает только тогда, когда открыт силовой полупроводниковый ключ. А последний открывается и закрывается с частотой выше 20 кГц.

Интересно: Рабочая частота некоторых современных импульсных блоков питания достигает 150 кГц.

Для уменьшения этих гармоник используют фильтры электромагнитных помех, например, синфазный дроссель и конденсаторы. Для улучшения графика потребления тока относительно питающего однофазного напряжения используют активные корректоры коэффициента мощности (рус. ККМ, англ. PFC).

Такие блоки питания установлены в:

  • светодиодных лампах;
  • ЭПРА для люминесцентных ламп;
  • компьютерные блоки питания;
  • современные зарядные устройства для мобильных телефонов;
  • телевизоры и прочая техника.

Также к этим источникам питания можно отнести и преобразователи частоты.

Последствия гармонических помех

Наличие гармоник в электрической сети переменного тока вызывает определенные проблемы. Среди них – повышенный нагрев электродвигателей и питающих проводов. Последствия влияния гармоник – это вибрация двигателей. Дальнейшие последствия могут быть различными – начиная от ускоренного износа подшипников ротора двигателя, заканчивая пробоем на корпус обмоток от повышенного нагрева.

В электрике встречаются ложные срабатывания коммутационной и защитной аппаратуры – автоматических выключателей, контакторов и магнитных пускателей. В звуковой аппаратуре и технике для связи из-за гармоник возникают помехи. С ними борются аналогично – установкой фильтров электромагнитных помех.

На видео ниже рассказывается, что такое гармоники и интергармоники в электросети:

В заключение хотелось бы отметить, что гармоники в электрических сетях в принципе не несут никакой пользы. Они лишь вызывают неисправности, ложные срабатывания коммутационной аппаратуры и прочие проявления нестабильности в работе. Это может нести не только неудобства в эксплуатации, но и экономические проблемы, убытки и аварийные ситуации, которые могут быть опасны для жизни.

Материалы по теме:

Гармоники

В данной статье мы рассмотрим что такое гармоники, фундаментальную частоту и сложные формы волны из-за гармоник, в конце статьи подведем краткие итоги по этой теме.

Что такое гармоники

Гармоники — это нежелательные более высокие частоты, которые накладываются на основную форму волны, создавая искаженную волновую картину.

В цепи переменного тока сопротивление ведет себя точно так же, как в цепи постоянного тока. То есть ток, протекающий через сопротивление, пропорционален напряжению на нем. Это связано с тем, что резистор является линейным устройством, и если приложенное к нему напряжение представляет собой синусоидальную волну, ток, протекающий через него, также является синусоидальной, поэтому разность фаз между двумя синусоидами равна нулю.

Как правило, при работе с переменными напряжениями и токами в электрических цепях предполагается, что они имеют чистую и синусоидальную форму с присутствием только одного значения частоты, называемого «основной частотой», но это не всегда так.

В электрическом или электронном устройстве или цепи, которая имеет вольт-амперную характеристику, которая не является линейной, то есть ток, протекающий через нее, не пропорционален приложенному напряжению. Чередующиеся сигналы, связанные с устройством, будут отличаться в большей или меньшей степени от сигналов идеальной синусоидальной формы. Эти типы сигналов обычно называют несинусоидальными или сложными сигналами.

Сложные сигналы генерируются обычными электрическими устройствами, такими как индукторы с железной сердцевиной, переключающие трансформаторы, электронные балласты в люминесцентных лампах и другие такие сильно индуктивные нагрузки, а также формы выходного напряжения и тока генераторов переменного тока, генераторов и других подобных электрических машин. В результате форма волны тока не может быть синусоидальной, даже если форма волны напряжения есть.

Также большинство электронных схем переключения источников питания, таких как выпрямители, кремниевые выпрямители (SCR), силовые транзисторы, преобразователи питания и другие подобные твердотельные переключатели, которые отключают и измельчают источники питания синусоидальной формы волны для управления мощностью двигателя или преобразования синусоидального источника переменного тока в постоянный. Эти переключающие схемы имеют тенденцию потреблять ток только при пиковых значениях источника переменного тока, и, поскольку форма сигнала переключающего тока не является синусоидальной, результирующий ток нагрузки, как говорят, содержит гармоники.

Несинусоидальные сложные формы волны создаются путем «сложения» серии синусоидальных частот, известных как «гармоники». Гармоники — это обобщенный термин, используемый для описания искажения синусоидальной формы волны сигналами разных частот.

Тогда независимо от формы сложную форму волны можно математически разделить на отдельные компоненты, называемые основной частотой и рядом «гармонических частот». Но что мы понимаем под «фундаментальной частотой»?

Фундаментальная частота

Фундаментальные формы волны (или первая гармоника) является синусоидальным сигналом , который имеет частоту питания. Фундаментальным является самой низкой или базовой частотой, ƒ , на которой построен комплекс формы сигнала и в качестве такового периодического времени, Τ результирующего комплексного сигнала будет равен периоду основной частоты.

Давайте рассмотрим основной сигнал переменного тока первой гармоники, как показано на рисунке.

Мы можем видеть, что синусоидальная форма волны представляет собой переменное напряжение (или ток), которое изменяется как синусоидальная функция угла, 2πƒ . Частоты формы волны, ƒ определяется числом циклов в секунду. В Соединенном Королевстве эта основная частота установлена ​​на 50 Гц, тогда как в Соединенных Штатах она составляет 60 Гц.

Гармоники — это напряжения или токи, которые работают на частоте, которая является целым (целым числом) кратным основной частоте. Таким образом, для основной формы волны 50 Гц это означает, что частота 2-й гармоники будет 100 Гц (2 x 50 Гц), 3-й гармоники будет 150 Гц (3 x 50 Гц), 5-й = 250 Гц, 7-й = 350 Гц и так далее. Аналогичным образом, с учетом основной формы волны 60 Гц частоты 2-й, 3-й, 4-й и 5-й гармоник будут равны 120 Гц, 180 Гц, 240 Гц и 300 Гц соответственно.

Другими словами, мы можем сказать, что «гармоники» являются кратными основной частоты и поэтому могут быть выражены как: 2ƒ , 3ƒ , 4ƒ и т.д.

Сложные формы волны

Обратите внимание, что красные формы волны, приведенные выше, являются фактическими формами сигналов, видимыми нагрузкой, из-за гармонического содержания, добавляемого к основной частоте.

Основной сигнал также можно назвать сигналом 1 й гармоники. Поэтому вторая гармоника имеет частоту, в два раза превышающую частоту основной, третья гармоника имеет частоту, в три раза превышающую основную, а четвертая гармоника имеет частоту, в четыре раза превышающую основную, как показано в левом столбце.

Правый столбец показывает сложную форму волны, сгенерированную в результате эффекта между добавлением основной формы волны и форм гармонических колебаний на разных частотах гармоник. Обратите внимание, что форма результирующего сложного сигнала будет зависеть не только от количества и амплитуды присутствующих частот гармоник, но также и от соотношения фаз между основной или базовой частотой и отдельными частотами гармоник.

Мы можем видеть, что сложная волна состоит из основной формы волны плюс гармоники, каждая из которых имеет свое пиковое значение и фазовый угол. Например, если основная частота задана как: E = V MAX(2πƒt) или V MAX(ωt) , значения гармоник будут заданы:

Для второй гармоники:

Е 2= V 2max(2 * 2πƒt) = V 2max(4πƒt) = V 2max(2ωt)

Для третьей гармоники:

E 3= V 3max(3 * 2πƒt) = V 3max(6πƒt), = V 3max(3ωt)

Для четвертой гармоники:

E 4= V 4max(4 * 2πƒt) = V 4max(8πƒt), = V 4max(4ωt)

Тогда уравнение, данное для значения сложной формы волны, будет иметь вид:

Гармоники обычно классифицируются по их названию и частоте, например, 2- й гармонике основной частоты при 100 Гц, а также по их последовательности. Гармоническая последовательность относится к векторному вращению гармонических напряжений и токов по отношению к основной форме волны в сбалансированной 3-фазной 4-проводной системе.

Гармоника прямой последовательности (4-й, 7-й, 10-й,…) будет вращаться в том же направлении (вперед), что и основная частота. Тогда как гармоника обратной последовательности (2-й, 5-й, 8-й,…) вращается в противоположном направлении (обратном направлении) основной частоты.

Как правило, гармоники прямой последовательности нежелательны, поскольку они ответственны за перегрев проводников, линий электропередач и трансформаторов из-за добавления сигналов.

С другой стороны, гармоники обратной последовательности циркулируют между фазами, создавая дополнительные проблемы с двигателями, поскольку противоположное вращение вектора ослабляет вращательное магнитное поле, необходимое для двигателей, и особенно асинхронных двигателей, заставляя их создавать меньший механический крутящий момент.

Другой набор специальных гармоник, называемых «тройками» (кратными трем), имеют нулевую последовательность вращения. Тройки — это кратные третьей гармоники (3-й, 6-й, 9-й, …) и т.д., отсюда и их название, и поэтому они смещены на ноль градусов. Гармоники нулевой последовательности циркулируют между фазой и нейтралью или землей.

В отличие от гармонических токов прямой и обратной последовательностей, которые взаимно компенсируют друг друга, гармоники третьего порядка не компенсируются. Вместо этого сложите арифметически в общем нейтральном проводе, который подвергается воздействию токов всех трех фаз.

В результате амплитуда тока в нейтральном проводе из-за этих тройных гармоник может быть в 3 раза больше амплитуды фазового тока на основной частоте, что делает его менее эффективным и перегретым.

Затем мы можем суммировать эффекты последовательности, кратные основной частоте 50 Гц:

Название Основная Вторая Третья Четвертая Пятая Шестая Седьмая Восьмая Девятая
Частота, Гц 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Последовательность + + +

Обратите внимание, что та же самая гармоническая последовательность также применяется к основным сигналам 60 Гц.

Последовательность Вращение Гармонический эффект
+ Вперед Чрезмерный эффект нагрева
Обратный ход Проблемы с крутящим моментом двигателя
Нет Добавляет напряжения и / или токи в нейтральный провод, вызывая нагрев

Резюме по гармоникам

Гармоники — это высокочастотные сигналы, накладываемые на основную частоту, то есть частоту цепи, и которые достаточны для искажения формы волны. Величина искажения, применяемого к основной волне, будет полностью зависеть от типа, количества и формы присутствующих гармоник.

Гармоники были в достаточном количестве только в течение последних нескольких десятилетий с момента появления электронных приводов для двигателей, вентиляторов и насосов, цепей переключения электропитания, таких как выпрямители, преобразователи питания и тиристорные регуляторы мощности, а также большинства нелинейных электронных фаз с управлением нагрузки и высокочастотные (энергосберегающие) люминесцентные лампы. Это связано, главным образом, с тем фактом, что управляемый ток, потребляемый нагрузкой, не точно соответствует синусоидальным сигналам питания, как в случае выпрямителей или силовых полупроводниковых коммутационных цепей.

Гармоники в системе распределения электроэнергии в сочетании с источником основной частоты (50 Гц или 60 Гц) создают искажения формы сигналов напряжения и / или тока. Это искажения создают сложную форму волны, состоящую из ряда частот гармоник, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на электрооборудование и линии электропередач.

Величина искажения формы волны, придающая сложной форме ее характерную форму, напрямую связана с частотами и величинами наиболее доминирующих гармонических компонентов, частота гармоник которых кратна (целым числам) основной частоты. Наиболее доминирующими гармоническими составляющими являются гармоники низкого порядка со 2- го по 19- е, причем тройки являются наихудшими.

1.9. Гармоники

Если сложить несколько различных по частоте сигналов, возникает сигнал сложной формы. Возможно обратное преобразование: сложный сигнал может быть разложен на ряд входящих в него чисто синусоидальных (гармонических) составляющих. Эти составляющие называют гармониками. В составе сложного сигнала выделяются первая (основная) гармоника и набор гармоник (вторая, третья и т.д.).

Первая гармоника представляет собой синусоидальный сигнал, имеющий тот же период, что и исходный сложный сигнал. Частоты остальных гармоник кратны частоте первой гармоники. Пусть, например, частота первой гармоники равна 400 Гц. Тогда частота второй гармоники равна 800 Гц, третьей – 1200 Гц и т.д.

Таким образом, чем больший номер имеет гармоника, тем выше ее частота. С другой стороны, с увеличением порядкового номера гармоник уменьшаются их амплитудные значения. В связи с этим гармониками высших порядков обычно пренебрегают.

Иногда различают четные и нечетные гармоники.

Вышесказанное иллюстрирует рис 1.17. Сигнал сложной формы получается путем

Рис. 1.17.

1 – основная гармоника;

2 – третья гармоника;

3 – сложный сигнал.

сложения первой и третьей гармоник (аппроксимация прямоугольного сигнала). Следует отметить, что именно прямоугольные сигналы содержат основную и множество нечетных гармоник. Вообще нечетные гармоники делают сигнал круто нарастающим (фронт) и резко спадающим (срез). Чем больше нечетных гармоник имеет сигнал, тем ближе его форма к форме прямоугольного сигнала.

Источники энергии в электрических цепях (ЭЦ) принято рассматривать как источники напряжения (ИН) и источники тока (ИТ). Выходное напряжение ИН практически не зависит от тока, идущего от ИН в нагрузку. Это достигается за счет малой величины их внутреннего сопротивления, рис 1.18. Выходная характеристика Uвых = F(Iн) представляет собой прямую

Рис. 1.18. Нагруженный источник напряжения

а. схема подключения;

б. выходная характеристика Uвых = F(Iн).

линию, наклон которой определяется величиной внутреннего сопротивления источника. При Rвн. = 0 выходное напряжение не зависит от тока нагрузки. Такой ИН называют идеальным. У реального ИН Rвн. ≠ 0.

Все вышесказанное справедливо для линейной ЭЦ. В случае, когда зависимость Uвых = F(Iн) нелинейная, что может иметь место, если величина E нелинейно зависит от Iн, или когда Rвн. зависит от Iн, то ЭЦ, содержащая такой источник, является нелинейной цепью.

Очевидно, что для возможно большого приближения к идеальному случаю сопротивление нагрузки Rн должно быть много больше Rвн.: Rн >> Rвн.

Выходной ток ИТ практически не зависит от напряжения U, которое создается ИТ на нагрузке, рис. 1.19.

Рис. 1.19. Нагруженный источник тока

а. схема подключения;

б. выходная характеристика.

ИТ имеет малую внутреннюю проводимость Gвн. И ток Iвн. очень мал. Поэтому ток нагрузки Iн = I — Uн·Gвн. практически равен I и мало изменяется при колебаниях значения Uн. Однако это справедливо лишь в заданном диапазоне изменения Uн. Если значение Uн выйдет за границы установленного диапазона, нормальная работа ИТ может быть нарушена. Очевидно, что идеальный источник имеет нулевую внутреннюю проводимость или, что то же самое, бесконечно большое внутреннее сопротивление.

Итак, следует запомнить, что источник напряжения должен иметь малое внутреннее сопротивление, а источник тока – большое внутреннее сопротивление.

Многие технические устройства можно рассматривать как ИН или ИТ. Например, усилитель напряжения (потенциальный выход) можно рассматривать как ИН. Источником напряжения также является стабилизированный блок питания, выходное напряжение которого должно быть малочувствительно к изменению сопротивления нагрузки. Типичным примером источника тока может служить зарядное устройство для аккумуляторов. Простейшее зарядное устройство обеспечивает постоянство зарядного тока аккумулятора, рис 1.20. Трансформатор

Рис. 1.20. Принципиальная схема зарядного устройства для аккумулятора

Тр1 понижает сетевое напряжение U1. Элементы (диод VD1 и резистор R1) обеспечивают протекание через аккумулятор требуемой формы зарядного тока. Величина внутреннего сопротивления такого ИТ равна:

где r – сопротивление вторичной обмотки трансформатора постоянному току;

rпр – прямое сопротивление диода VD1;

rобр – обратное сопротивление диода VD1.

Для улучшения эксплуатационных характеристик аккумулятора в один из полупериодов выпрямленного напряжения (U2 < 0) направление зарядного тока изменяется на противоположное. Но величина этого тока много меньше величины основного заряжающего тока (U2 > 0). Именно этот полупериод напряжения вторичной обмотки мы и рассмотрим. Сопротивление r мало (единицы Ом). Сопротивление открытого диода rпр также относительно невелико (единицы или десятки Ом). Поэтому основной вклад в Rвн. ИТ вносит сопротивление R2 (R2 >> rпр; R2 >> r). Изменяя величину R2, можно задавать необходимое значение выходного (зарядного) тока.

Создать простейший источник тока можно, подключив последовательно с химическим источником тока, например, аккумулятором, большое сопротивление.

Датчики физических величин, выдающие аналоговый электрический сигнал функционально связанный с измеряемым параметром также можно рассматривать как ИН или ИТ. Также говорят, что такие датчики имеют потенциальный или токовый выход. Очевидно, что датчики с потенциальным выходом (ИН) предполагают подключение высокоомной нагрузки, а датчики с токовым выходом (ИТ) – низкоомной нагрузки.

Почему выходной ток ИТ практически не зависит от сопротивления нагрузки? Обратимся к рис. 1,а (ИТ можно представить как ИН, но со значительной величиной Rвн.). На физическом уровне это объясняется тем, что величина тока нагрузки оказывается мы чувствительной к изменению Rн вследствие малости значения сопротивления нагрузки по отношению к Rвн. В самом деле, если , то отклонение сопротивления нагрузки даже на 100% по отношению к его номинальному значению не приведет к изменению выходного тока более чем на 1%.

В случае ИН, рис 1.18.а, напряжение на нагрузке равно:

.

На внутреннем сопротивлении ИН падает напряжение:

.

Очевидно, что падения напряжений на нагрузке и на Rвн оказываются прямо пропорциональны значениям соответствующих сопротивлений. Следовательно, по аналогии с ИТ, для того, чтобы изменение выходного напряжения не превышало 1% при возможном 100% отклонении величины Rн от своего номинального значения, необходимо обеспечить выполнение неравенства .

ИН и ИТ являются активными элементами электрических цепей. То есть их можно рассматривать как источники (генераторы) электрической энергии.

При расчете электрических цепей иногда бывает удобно производить замену ИН эквивалентными ИТ или, наоборот, ИТ эквивалентными ИН. Однако при этом не будут соблюдаться вышеуказанные свойства: малая зависимость выходного напряжения ИН от Iн и постоянство выходного тока ИТ при изменении выходного напряжения.

ИН и ИТ являются эквивалентными, если имеют одинаковые выходные характеристики: или . При присоединении к ним нагрузки с сопротивлением напряжение Uвых и ток Iвых в нагрузке будут в обоих случаях одинаковыми.

Рассмотрим теоретическое обоснование взаимозаменяемости ИН и ИТ. Уравнение выходной характеристики ИН имеет вид:

.

Или

.

Уравнение выходной характеристики ИТ имеет вид:

.

Эти выходные характеристики совпадают при соблюдении условий:

и .

По этим двум уравнениям можно вычислить параметры I и Gвн ИТ эквивалентного заданному ИН, имеющего параметры E и Rвн.

Аналогично из уравнений

и

можно рассчитать параметры ИН, эквивалентного заданному ИТ.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD), коэффициент гармонических искажений (КГИ, Kг, THDr)

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD)

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) или Total Harmonic Distorsions (THD) – показатель, характеризующий степень отличия формы сигнала от синусоидальной, так же можно сказать это – величина для количественной оценки нелинейных искажений периодического сигнала.

The total harmonic distortion, or THD, of a signal is a measurement of the harmonic distortion present and is defined as the ratio of the RMS of all high harmonic components to the RMS of the fundamental frequency harmonica.

Коэффициент безразмерный, но обычно умножается на 100% для получения значения в %.

Важное замечание:
В силовой электротехнике рассматриваются термины характеризующие нелинейность одного конкретного сигнала (например только сигнала выходного тока). Термины характеризующие нелинейность устройства (усилителя, и т.д.) и включающие в расчёт как входной так и выходной сигналы устройства не используются.

 

Коэффициент нелинейных искажений сигнала (КНИ, Kн, THD, THDf) – величина, выражающая степень нелинейных искажений сигнала, равна отношению среднеквадратичного значения всех высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники:

Это определение соответствует международному определению КНИ / THD для силовой электротехники и используется в большинстве анализаторов сети, например, HIOKI3197 (и др. оборудовании измеряющим КНИ), указывается в паспортных данных большинства электротехнического оборудования. Данный термин указывается в паспортных данных оборудования N-Power. Данная формула является основной (соответствует ГОСТ и EN 62040-3) , а все другие приведенные в данной статье являются упрощенными и приведены для справки.

Важные замечания:

  1. Первая гармоника также называется основной или фундаментальной, для обычной сети – это гармоника 50Гц.
  2. В паспортных значениях ИБП, стабилизаторов, и др. оборудования обычно указывается этот параметр.
  3. Оборудование измеряющее КНИ / THD (стабилизаторы, ИБП, анализаторы сети и др.), обычно используют этот параметр.
  4. КНИ используется в основном для измерения искажений формы входного или выходного тока и обозначается как: Current THD, THDI, токовый КНИ. Также параметр используется для характеристики сигнала напряжения, в этом случае он обозначается: THDU, КНИ напряжения.
  5. Во многих учебниках эта величина также может называться КГИ (RHD, Residual Harmonic Distortion) например [4,5,9,10] – см. дополнение ниже.

Так же в электротехнике используется следующий термин (например Анализаторы сети могут измерять эту величину):

 

Коэффициент гармонических искажений (КГИ, Kг, THDr) – величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичного значения всех высших гармоник сигнала, к среднеквадратичному значению спектральных компонентов всего сигнала кроме постоянной составляющей:

Важные замечания:

  1. Нулевая гармоника называется также постоянной составляющей.
  2. Во многих учебниках эта величина также может называться КНИ(THD) например [4,5,9,10] –см. дополнение ниже.
  3. При незначительных величинах гармонического состава значения THDr и THDf близки.

Соотношения связывающие обе величины:

Важные замечания:

  1. КНИ (THDf) также называется КНИ приведённым к величине СКЗ фундаментальной гармоники.
  2. КГИ (THDr) также называется КНИ приведённым к величине СКЗ полного сигнала.
  3. ГОСТ 13109-97 [12] не использует термин КНИ, но если считать что при вычислении значения коэффициента искажения синусоидальности кривой именно его рассчётная формула приведена первой [12, Б3.3.2], то терминология приведённая выше соответствует ГОСТ 13109-97.

 

Современные международные обозначения КНИ (THD)

Приведённые ниже термины повторяют уже рассмотренные в данной статье определения.

 

1) THDf is the Total Distortion compared to the RMS value of the fundamental frequency value.

THDf is the ratio of the sum of the powers of all harmonic frequency components (except for the fundamental RMS1) to the power of the fundamental frequency component and is calculated as follows:

Remarks:
Total RMS = RMS value of all waveform points (full waveform periods)
RMS0 = RMS value of DC component
RMS1 = RMS value of the fundamental frequency component

Remarks:
Real_i = Real part of the frequency component i
Imag_i = Imaginary part of the frequency component i

 

2) THDr is the Total Distortion compared to the RMS value of the total waveform.

THDr is the ratio of the sum of the powers of all harmonic frequency components (except for the fundamental RMS1) to the power of all harmonic frequency components and is calculated as follows:

Remarks:
Total RMS = RMS value of all waveform points (full waveform periods)
RMS0 = RMS value of DC component
RMS1 = RMS value of the fundamental frequency component

Remarks:
Real_i = Real part of the frequency component i
Imag_i = Imaginary part of the frequency component i

 

Прочие определения КНИ (THD), встречающиеся в технической литературе

Существуют другие определения КНИ (THD), например, приведённые ниже. Однако, в силовой электротехнике они не используются.

1) THD:

2) THD+N – общие искажения плюс шум:

 

Перечень терминов и определений, применяемых ранее в русскоязычных учебниках по радиоэлектронике и электротехнике

Во избежании путаницы ниже представлена терминология, использовавшаяся в русскоязычных учебниках по радиоэлектронике и электротехнике.

Эти термины могут использоваться в настоящее время в радиотехнике, но в силовой электротехнике во избежании путаницы рекомендовано применение международных терминов (см. выше).

В русскоязычной литературе ранее были приняты обозначения и термины:

 

1) Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) или коэффициент искажений или коэффициент гармонических искажений сигнала, равный отношению действующего значениия основной(первой) гармоники к действующему значению всего сигнала (всей функции):

d = Кни = КНИ = A1 / A=I1 / I

d=1 – для синусоидального сигналов
d=~0.99 – для треугольного сигнала
d=0.9 – для прямоугольного сигнала

 

Дополнительная информация:

Положим, что напряжение синусоидально, а ток несинусоидален. В этом случае активная мощность определяется мощностью первой гармоники:

При этом действующее значение тока:

Следовательно, коэффициент мощности:

Множитель kи называется коэффициентом искажения:

 

Русский термин «коэффициент искажения» эквивалентен зарубежному термину «искаженный коэффициент мощности». Его можно выразить также через THD как показано ниже:

Формула является правильной, но как в отечественной, так и зарубежной литературе, эти термины в силовой электротехнике не используются (или применяются редко). Эту формулу можно получить поставив определение КНИ в формулу определяющую «искажённый коэфф мощности»:

 

2) Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) – величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы всех высших спектральных компонентов сигнала, к среднеквадратичной сумме спектральных компонентов всего сигнала (кроме постоянной составляющей), иногда используется нестандартизованный синоним – клирфактор (заимств. с нем.). КНИ – безразмерная величина, выражается обычно в процентах.

 

Коэффициент гармонических искажений – величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др. ), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.

Коэффициент гармоник (КГ) так же как и КНИ выражается в процентах. Коэффициент гармоник (KГ) связан с КНИ (KН) соотношением:

Важное замечание:
Следует признать, что данная терминология долгое время являлась «правильной» для русскоязычной, немецкоязычной литературы, так же именно эти определения продолжают использоваться в некоторых анализаторах сети [10], но в связи с преобладанием обратной терминологии в большинстве современного оборудования (анализаторы сети, ИБП, стабилизаторы, корректоры коэффициента мощности и др.) рекомендуется применение терминов приведенных в самом начале.

Данную терминологию нельзя признать неправильной, но данные и технические характеристики оборудования N-Power указываются в соответствии с европейской и международной терминологией, поэтому рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.

 

Российский стандарт. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) и качество сетевого электропитания (ГОСТ 13109-97)

Ниже представлены выдержки из ГОСТ 13109-97:

Вычисляют значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кт в процентах как результат i-го наблюдения по формуле:

(Б.15)

где U(1)i — действующее значение междуфазного (фазного) напряжения основной частоты для i-го наблюдения, В, кВ.

При определении данного показателя КЭ допускается:

1) не учитывать гармонические составляющие, значения которых менее 0,1 %;
2) вычислять данный показатель КЭ по формуле

(Б.16)

Примечание:
Относительная погрешность определения КUi с использованием формулы (Б.16) вместо формулы (Б.15) численно равна значению отклонения напряжения U(1)i от Uном.

 

Формула приведенная в данном ГОСТе первой (Б.15) соответствует международному определению термина КНИ / THD (см. начало статьи, см. стандарт EN 62040-3).

 

Европейский стандарт качества сетевого электропитания (EN 62040-3), и коэффициент нелинейных искажений тока

Коэффициент нелинейных искажений по току в % идентичен базовому определению КНИ, определенному в стандарте EN 62040-3 и рассчитывается как процентное отношение среднеквадратичных значений высших гармоник к базовой (первой) гармоники. См. прилагаемую формулу.

 

 


[1] Ф.Е.Евдокимов. Теоретические основы электротехники М., Академия 2004 cтр. 262

[2] Г.И. Атабеков. Основы Теории Цепей с.176, стр. 434

[3] Анализатор сети Fluke 435. Руководство пользователя

[4] Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х т. Под ред. Д. П. Линде – М.: Энергия, 1978

[5] Горохов П. К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины – М: Рус. яз., 1993

[6] Коэффициент нелинейных искажений: http://ru.wikipedia.org/

[7] Total Harmonic Distortion: http://en.wikipedia.org/wiki/Total_harmonic_distortion

[8] Total Harmonic Distortion: http://de.wikipedia.org/wiki/THDi http://de.wikipedia.org/wiki/Total_Harmonic_Distortion

[9] П.Шпритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике 3.1.1. Москва Мир 1991

[10] Анализатор сети DMK62 Lovato. Руководство пользователя:
http://www.lovatoelectric.com/RICERCA/ITALIANO/03_ISTRUZIONI/I104IGBFE04_08.PDF

[11] ГОСТ 8.331-99 ГСИ. Измерители коэффициента гармоник. Методы и средства поверки и калибровки.
ГОСТ 8.110-97 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения коэффициента гармоник

[12] ГОСТ 13109-97

[13] Анализатор сети HIOKI3197. Руководство пользователя

 

Современные международные обозначения КНИ(THD)
Приведённые ниже термины повторяют определения приведённые выше.
I

II

Дополнение1
Замечание: существуют другие определения КНИ(THD) например приведённые ниже но в силовой электротехнике они не используются:
I THD

II THD+N
THD+N обозначает общие искажения плюс шум.

Дополнение2
Внимание!
Во избежании путаницы ниже приведены термины ранее использовавшиеся в русскоязычных учебниках по радио/электротехнике.
Эти термины могут использоваться в настоящее время в радиотехнике но в силовой электротехнике во избежании путаницы рекомендовано применение международных терминов приведённых выше.   
В русскоязычной литературе ранее были приняты обозначения и термины:
I
Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ)
или Коэффициент искажения(ий)
или Коэффициент гармонических искажений сигнала  
равен отношению действующего значениия основной(первой) гармоники к действующему значению всего сигнала (всей функции).
d=Кни=КНИ=A1/A=I1/I
Для синусоиды d=1, для треугольного сигнала d~=0,99, для прямоуг. сигнала d=0,9.
Дополнительная информация:

II
Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ) — величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы всех высших спектральных компонентов сигнала, к среднеквадратичной сумме спектральных компонентов всего сигнала (кроме постоянной составляющей), иногда используется нестандартизованный синоним — клирфактор (заимств. с нем.). КНИ — безразмерная величина, выражается обычно в процентах.

Коэффициент гармонических искажений — величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.

Коэффициент гармоник так же как и КНИ выражается в процентах. Коэффициент гармоник (KГ) связан с КНИ (KН) соотношением :  

Замечание 1: следует признать что данная терминология долгое время являлась «правильной» для русскоязычной, немецкоязычной литературы, так же именно эти определения продолжают использоваться в некоторых анализаторах сети [10], но в связи с преобладанием обратной терминологии в большинстве современного оборудования (анализаторы сети, ИБП, стабилизаторы, корректоры коэфф. мощности и др.) рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.
Эту терминологию нельзя признать неправильной, но данные и технические характеристики оборудования N-Power указываются в соответствии с европейской и международной терминологией, поэтому рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.

Дополнение 3
Выдержки из ГОСТ 13109-97:  

Из приведённых в ГОСТ определений видно что вторая формула соответствует определению КНИ (несмотря на то что термин КНИ вообоще отсутствует).

[1] Ф.Е.Евдокимов Теоретические основы электротехники М., Академия 2004 c.262.
[2] Г.И. Атабеков Основы Теории Цепей с.176, 434с.
[3] Анализатор сети Fluke 435 Руководство пользователя
[4] Справочник по радиоэлектронным устройствам: В 2-х т.; Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
[5] Горохов П. К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины — М: Рус. яз., 1993
[6] http://ru.wikipedia.org/  Коэффициент нелинейных искажений
[7] http://en. wikipedia.org/wiki/Total_harmonic_distortion
[8] http://de.wikipedia.org/wiki/THDi   http://de.wikipedia.org/wiki/Total_Harmonic_Distortion
[9] П.Шпритек Справочное руководство по звуковой схемотехнике 3.1.1, Москва Мир 1991
[10] Анализатор сети DMK62 Lovato Руководство пользователя.
http://www.lovatoelectric.com/RICERCA/ITALIANO/03_ISTRUZIONI/I104IGBFE04_08.PDF
[11] ГОСТ 8.331-99 ГСИ. Измерители коэффициента гармоник. Методы и средства поверки и калибровки
ГОСТ 8.110-97 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения коэффициента гармоник
[12] ГОСТ 13109-97   
[13] Анализатор сети HIOKI3197 Руководство пользователя

С замечаниями по содержанию этого раздела просьба обращаться: .

Александр.
SIEL подвердил что все правильно с THD
Можно целиком текст ниже в статью включить+этот стандарт тоже.
Даниил А.
________________________________________
From: Mazza Angelo [mailto:]
Sent: Wednesday, December 21, 2011 7:33 PM
To: Daniil A.
Cc: ‘Олег Сергеев’; Matoshi Gladiola; Pensini Glauco
Subject: R: SafePower Evo input THD //l2
Dear Mr. Daniil,
the value THDI%, indicated in the manual, is the definition of Total Harmonic Distortion and is exactly equal to the definition expressed by UPS Statement of EN 62040-3, which defines it as the percentage ratio of the rms value of the harmonic content and the rms value of the fundamental component (first harmonic) which expressed by the following relationship:

THDI % = 100*

The values I1, I2, I3, ect….are rms values.

Гармоники: определение, виды и причины

РЕКЛАМА:

В этой статье мы обсудим: 1. Определение гармоник 2. Номер гармоники (h) 3. Типы 4. Причины.

Определение гармоник:

Гармоники – это синусоидальные напряжения или токи, частота которых кратна частоте, на которую рассчитана система электропитания.

Гармоники как чистые тона, составляющие сложный тон в музыке. Чистый тон — это музыкальный звук одной частоты, а комбинация многих чистых тонов составляет составной звук. Звуковые волны — это электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве как периодическая функция времени. Может ли принцип, лежащий в основе чистых музыкальных тонов, применяться к другим функциям или величинам, зависящим от времени?

РЕКЛАМА:

В начале 1800-х годов французский математик Жан Батист Фурье сформулировал, что периодическая несинусоидальная функция основной частоты f может быть выражена как сумма синусоидальных функций частот, кратных основной частоте. В наших дискуссиях здесь мы в основном занимаемся периодическими функциями напряжения и тока из-за их важности в области качества электроэнергии. В других приложениях периодическая функция может относиться к радиочастотной передаче, тепловому потоку через среду, вибрациям механической конструкции или движениям маятника в часах.

Синусоидальная функция напряжения или тока, зависящая от времени t, может быть представлена ​​следующими выражениями:

Функция напряжения,

v(t) = V sin (ωt) …(4. 1)

РЕКЛАМА:

Текущая функция,

i(t) = I sin (ωt ± θ) …(4.2)

, где ω = 2πf известна как угловая скорость периодического сигнала, а 0 — это разность фазового угла между сигналами напряжения и тока, называемая общей осью. Знак фазового угла θ положительный, если ток опережает напряжение, и отрицательный, если ток отстает от напряжения.

Рисунок 4.1 содержит кривые напряжения и тока, выраженные уравнениями. (4.1) и (4.2) и которые по определению являются чистыми синусоидами.

Для периодического несинусоидального сигнала, показанного на рис. 4.2, упрощенное выражение Фурье утверждает:

V (t) = V 0 + V 1 sin(ωt) + V 2 sin(2 ωt) + V 3 sin(3 ωt) + … + Vn sin(n ωt) + V n+1 sin (( n + 1) ωt) +………….. (4.3)

Выражение Фурье представляет собой бесконечный ряд. В этом уравнении V 0 представляет постоянную или постоянную составляющую сигнала.

V 1 , V 2 , V 3 , … , V n — пиковые значения последовательных членов выражения. Термины известны как гармоники периодической формы волны. Основная частота (или первая гармоника) имеет частоту f, вторая гармоника имеет частоту 2 x f, третья гармоника имеет частоту 3 x f, а n-я гармоника имеет частоту n x f. Если основная частота составляет 60 Гц (как в США), частота второй гармоники составляет 120 Гц, а частота третьей гармоники составляет 180 Гц.

Значение частот гармоник можно увидеть на рис. 4.3. Вторая гармоника проходит два полных цикла в течение одного цикла основной частоты, а третья гармоника проходит три полных цикла в течение одного цикла основной частоты.

V 1 , V 2 и V 3 являются пиковыми значениями гармонических составляющих, составляющих составной сигнал, который также имеет частоту f.

Возможность выразить несинусоидальную форму волны как сумму синусоидальных волн позволяет нам использовать более распространенные математические выражения и формулы для решения задач энергосистемы. Чтобы найти влияние несинусоидального напряжения или тока на единицу оборудования, нам нужно только определить влияние отдельных гармоник, а затем векторно просуммировать результаты для получения суммарного эффекта. На рис. 4.4 показано, как отдельные гармоники, которые являются синусоидальными, могут быть добавлены для формирования несинусоидальной формы волны.

Выражение Фурье в уравнении. (4.3) было упрощено, чтобы прояснить концепцию частотных составляющих гармоник в нелинейной периодической функции. Для пуриста предлагается следующее более точное выражение. Для периодической волны напряжения с основной частотой

ω = 2πf,

v(t) = V 0 + ∑(a k cos kωt + b k sin k ωr) (для k- 1 до ∞)…(4.4)

Где а к и б к — коэффициенты отдельных гармонических членов или компонентов. При определенных условиях члены косинуса или синуса могут исчезнуть, что дает нам более простое выражение. Если функция является четной функцией, что означает f (-t) = f (t), то синусоидальные члены исчезают из выражения. Если функция нечетная, с f (- t) = — f (t), то члены косинуса исчезают.

Для нашего анализа мы будем использовать упрощенное выражение, включающее только синусоиды. Следует отметить, что наличие как синусоидальных, так и косинусоидальных членов влияет только на угол смещения гармонических составляющих и форму нелинейной волны и не меняет принцип применения ряда Фурье. Коэффициенты гармонических членов функции-

f(t), содержащееся в уравнении. (4.4) определяются коэффициентом

Коэффициенты представляют собой пиковые значения частот отдельных гармоник нелинейной периодической функции, представленной f (t).

Номер гармоники (h):

Номер гармоники (h) относится к отдельным частотным элементам, составляющим составной сигнал. Например, h = 3 относится к третьей гармонике с частотой, в три раза превышающей основную частоту. Если основная частота равна 60 Гц, то 3 rd (третья) частота гармоники 3 х 60, или 180 Гц. Гармония номер 6 – это составляющая с частотой 360 Гц.

Работа с номерами гармоник, а не с частотами гармоник, делается по двум причинам. Основная частота варьируется в зависимости от страны и области применения. Основная частота в США составляет 60 Гц, тогда как в Европе и многих азиатских странах — 50 Гц. Кроме того, в некоторых приложениях используются частоты, отличные от 50 или 60 Гц; например, 400 Гц является обычной частотой в аэрокосмической промышленности, в то время как в некоторых системах переменного тока для электрической тяги используется частота 25 Гц.

Инверторная часть привода переменного тока с регулируемой скоростью может работать на любой частоте от нуля до полной номинальной максимальной частоты, и тогда основная частота становится частотой, на которой работает двигатель. Использование номеров гармоник позволяет нам упростить выражение гармоник. Второй причиной использования гармонических чисел является упрощение, реализуемое при выполнении математических операций с гармониками.

Типы гармоник:

Гармоники нечетного и четного порядка:

Как следует из их названий, нечетные гармоники имеют нечетные номера (например, 3, 5, 7, 9, 11), а четные гармоники имеют четные номера (например, 2, 4, 6, 8, 10). Гармонике номер 1 соответствует основная частотная составляющая периодической волны. Номер гармоники 0 представляет постоянную или постоянную составляющую сигнала. Постоянная составляющая представляет собой чистую разницу между положительной и отрицательной половинами одного полного цикла сигнала.

На рис. 4.5 показана периодическая форма сигнала с чистым содержанием постоянного тока. Постоянная составляющая сигнала оказывает нежелательное воздействие, особенно на трансформаторы, из-за явления насыщения сердечника. Насыщение сердечника вызвано работой сердечника при уровнях магнитного поля выше колена кривой намагничивания. Трансформаторы предназначены для работы ниже колена кривой.

Когда на обмотку трансформатора подается постоянное напряжение или ток, в сердечнике трансформатора возникают сильные магнитные поля постоянного тока. Сумма магнитных полей переменного и постоянного тока может сместить работу трансформатора в области за изгибом кривой насыщения. Работа в области насыщения предъявляет к энергосистеме большие требования по мощности возбуждения. Потери трансформатора существенно увеличиваются, вызывая чрезмерное повышение температуры. Вибрация сердечника становится более выраженной в результате работы в области насыщения.

Мы обычно рассматриваем гармоники как целые числа, но некоторые приложения производят гармонические напряжения и токи, которые не являются целыми числами. Дуговые электропечи являются примерами нагрузок, генерирующих нецелочисленные гармоники. Дуговые сварщики также могут генерировать нецелочисленные гармоники. В обоих случаях, как только дуга стабилизируется, нецелочисленные гармоники в основном исчезают, оставляя только целочисленные гармоники.

Большинство нелинейных нагрузок создают гармоники, кратные основной частоте. Для образования четных гармоник должны существовать определенные условия. Неравномерное потребление тока между положительной и отрицательной половинами одного рабочего цикла может генерировать даже гармоники. Неравномерная работа может быть связана с характером приложения или может указывать на проблемы со схемой нагрузки. Токи намагничивания трансформатора содержат заметные уровни даже гармонических составляющих, как и дуговые печи во время запуска. Субгармоники имеют частоты ниже основной частоты и редко встречаются в энергосистемах.

При наличии субгармоник основной причиной является резонанс гармонических токов или напряжений с емкостью и индуктивностью энергосистемы. Субгармоники могут генерироваться, когда система имеет высокую индуктивность (например, дуговая печь во время запуска) или если энергосистема также содержит большие батареи конденсаторов для коррекции или фильтрации коэффициента мощности. Такие условия вызывают медленные колебания, которые относительно не затухают, что приводит к провалам напряжения и мерцанию света.

Причины гармоник напряжения и тока:

Чистая синусоидальная форма волны с нулевым гармоническим искажением является гипотетической величиной, а не практической. Форма волны напряжения даже в точке генерации содержит небольшие искажения из-за неравномерности магнитного поля возбуждения и дискретного пространственного распределения катушек вокруг пазов статора генератора. Искажение в точке генерации обычно очень низкое, обычно менее 1,0%.

Генерируемое напряжение передается на многие сотни миль, преобразуется в несколько уровней и, в конечном счете, передается опытному пользователю. Пользовательское оборудование генерирует токи, богатые частотными гармониками, особенно в больших коммерческих или промышленных установках. Когда гармонические токи проходят к источнику питания, искажения тока приводят к дополнительным искажениям напряжения из-за импедансных напряжений, связанных с различным оборудованием распределения электроэнергии, таким как линии передачи и распределения, трансформаторы, кабели, шины и т. д.

На рис. 4.9 показано, как искажение тока преобразуется в искажение напряжения. Однако не все искажения напряжения связаны с протеканием искаженного тока через импеданс энергосистемы. Например, системы статических источников бесперебойного питания (ИБП) могут генерировать заметные искажения напряжения из-за характера их работы. Нормальное напряжение переменного тока преобразуется в постоянное, а затем снова преобразуется в переменное в инверторной части ИБП. Если не предусмотрена схема формирования сигнала, форма сигнала напряжения, генерируемого в ИБП, имеет тенденцию к искажению.

По мере того как нелинейные нагрузки распространяются в энергосистему, вводятся искажения напряжения, которые увеличиваются при переходе от источника к нагрузке из-за полного сопротивления цепи. Искажения тока по большей части вызваны нагрузками. Даже линейные нагрузки будут генерировать нелинейные токи, если форма сигнала напряжения питания будет значительно искажена.

Когда несколько потребителей электроэнергии используют общую линию электропередачи, искажение напряжения, вызванное введением гармонического тока одного пользователя, может повлиять на других пользователей. Вот почему выпускаются стандарты, ограничивающие количество гармонических токов, которые отдельные потребители электроэнергии могут подавать в источник.

Основными причинами искажения тока являются нелинейные нагрузки из-за приводов с регулируемой скоростью, флуоресцентного освещения, блоков выпрямителей, нагрузок компьютеров и обработки данных, дуговых печей и т.д. Можно легко представить себе среду, в которой генерируется широкий спектр частот гармоник, которые передаются другим нагрузкам или другим потребителям электроэнергии, что приводит к нежелательным результатам во всей системе.

Главная ›› Электротехника ›› Энергосистема ›› Гармоники

Гармоники в электрических системах

Гармоники! Вам когда-нибудь приходилось сталкиваться с этим в одном из проектов вашего здания? Обращался ли к вам клиент с вопросом, стоит ли ему беспокоиться по этому поводу? Что ж, гармоники могут вызывать негативные эффекты в вашей системе электроснабжения, вызывая отказ оборудования и сокращая срок его службы. Эти гармоники также могут повлиять на систему электроснабжения ваших соседей, возвращаясь в электроэнергию. Теперь вы, вероятно, думаете, откуда они берутся и почему они вызывают проблемы? В этой статье я попытаюсь разобраться в этом. Во-первых, я расскажу об основах гармоник и о том, как они создаются, чтобы вы могли лучше понять, с чем имеете дело. Далее я объясню некоторые причины, по которым это проблема в вашей системе электроснабжения, и, наконец, я предоставлю несколько вариантов смягчения или устранения этих гармоник.

В типичной системе электроснабжения источник питания (генератор, коммунальное предприятие и т. д.) подает синусоидальное напряжение на различные типы нагрузок с определенной частотой. Это называется «основной частотой» или гармоникой первого порядка, которая обычно составляет 60 Гц в Северной Америке. Проблемы возникают, когда нагрузки начинают генерировать несинусоидальные (искаженные) формы сигналов тока, которые содержат частоты выше основной частоты, такие как гармоники 3-й, 5-й, 7-й и более высоких порядков. Эти гармоники более высокого порядка подобны основной синусоидальной форме волны, но частота и амплитуда у них разные. Мы называем эти типы нагрузок «нелинейными». Нелинейные нагрузки потребляют искаженные токи из-за поведения силовой электроники в них, и это отдельная тема. Примерами нелинейных нагрузок могут быть частотно-регулируемые приводы (VFD), источники бесперебойного питания (UPS), светодиоды (LED) и источники питания для электронных устройств (ПК, телефоны и т. д.). Откуда мы знаем, что эти искаженные формы тока вносят гармоники?

Вы помните, что узнали о Жозефе Фурье в университете? Ну, Жозеф Фурье показал нам, как несинусоидальная форма волны может быть представлена ​​несколькими основными синусоидальными волнами, суммированными вместе. Его теорема Фурье утверждала, что несинусоидальные периодические функции могут быть разложены на различные синусоидальные члены, которые являются

  1. Синусоидальным членом основной частоты (60 Гц)
  2. Синусоидальными членами, частоты которых кратны основной частоте. (120 Гц, 180 Гц, 240 Гц и т. д.)

Во-вторых, мы наблюдаем гармоники, вносимые нелинейными нагрузками. Итак, какие гармоники вводятся? Мы можем определить, какие гармоники вводятся, разбивая искаженную форму волны на синусоидальные составляющие, частоты которых кратны основной частоте, которую можно рассчитать следующим образом.

  1. Гармоника n-го порядка = n-я * основная частота, где n — целое число, большее нуля.
  • Гармония первого порядка = 1 * 60 Гц = 60 Гц
  • Гармоника второго порядка = 2 * 60 Гц = 120 Гц
  • Гармоника третьего порядка = 3 * 60 Гц = 180 Гц

Если ваша синусоидальная волна равна 60 Гц, то это основная частота. Если частота 120 Гц, то это гармоника второго порядка, если 180 Гц, то гармоника третьего порядка и так далее.

Амплитуда синусоидального сигнала также может быть аппроксимирована следующим образом:

  1. Амплитуда n-го порядка = гармоника i/n-го порядка, где i — основной ток, который, скажем, равен 100 А.
  • Амплитуда первого порядка = 100 А/1 = 100 А
  • Амплитуда второго порядка = 100 А//2 = 50 А
  • Гармоника третьего порядка = 100 А/3 = 33,33 А

Ниже приведен график, показывающий пример -синусоидальная форма волны, нарисованная нелинейной нагрузкой.

График 1: Искаженная несинусоидальная форма волны тока id(x)

На этом графике видно, что это нетипичная синусоидальная форма волны и, как упоминалось ранее, нелинейные нагрузки потребляют искаженный ток. Джеймс Фурье заметил, что эти искаженные токи можно разложить на различные синусоидальные волны, которые говорят нам о гармониках, присутствующих в системе. Разложение График 1 получаем:

График 2: Фундаментальный синусоидальный ток i1(x)

График 3: Гармонический синусоидальный ток третьего порядка i3(x)

904:207 Синусоидальный ток F гармонического порядка Форма волны i5(x)

График 5: Форма волны синусоидального тока гармоники седьмого порядка i7(x)

Как видно из графиков 3-5, синусоида завершает три цикла для третьей гармоники, пять циклов для пятой , и так далее. Наложив все пять графиков, мы можем увидеть, как они суммируются ниже. 9Рисунок 1 Формула для THDu и THDi, Изображение предоставлено: Schneider Electric

Итак, теперь у нас есть небольшое понимание того, что такое гармоники и нелинейные нагрузки, являющиеся источником гармоник, мы можем задать следующий вопрос. Почему гармоники являются проблемой в нашей электроэнергетической системе?

Есть две причины.

  1. Гармоники могут привести к перегреву вашей четырехпроводной электрической системы.
  2. Гармоники вызывают искажение напряжения.

Первая проблема заключается в том, что в сбалансированной трехфазной системе тройные гармоники с нечетными номерами вносят токи нулевой последовательности, которые в сумме составляют 300% фазного тока на нейтрали. Это приводит к перегрузке нейтрального провода из-за суммы нечетных тройных гармоник, генерируемых от однофазной линии к нейтральным нагрузкам. Эти перегрузки могут повредить ваши генераторы, трансформаторы и т. д. В понижающем трансформаторе, соединенном треугольником, мы видим, как перегруженный нейтральный ток возвращается к трансформатору, а затем циркулирует в обмотках треугольника. Это может привести к перегреву и сокращению срока службы трансформатора или генератора. Обычно однофазная линия к нейтральным нагрузкам является источником нечетных тройных гармоник, таких как светодиодные лампы, компьютерные рабочие станции, источники питания для электроники и т. д.

Второй проблемой являются гармоники, вызывающие искажение напряжения в вашем источнике напряжения (генераторе, трансформаторе и т. д.). Мы понимаем, что нелинейные нагрузки вызывают поток гармонических токов в системе распределения. Этот искаженный ток, потребляемый от источника, теперь будет вызывать искажение напряжения из-за импеданса цепей питания, таких как генератор и трансформатор. Это искажение напряжения может распространяться по вашей электрической системе и может сократить ожидаемый срок службы вашего оборудования, включая частотно-регулируемые приводы и светодиодные лампы, которые являются источниками искажения. IEEE 519Стандарт -2014 также устанавливает пределы общих гармонических искажений, чтобы они не влияли на электрическую систему ваших соседей. В Северной Америке есть коммунальные компании, которые следят за этим и требуют, чтобы помещения соответствовали IEEE 519-2014. Этот стандарт требует, чтобы каждый объект соответствовал определенным уровням THD в точке общего соединения (PCC), которая находится в точке, где электроэнергия входит в объект.

Итак, какие есть решения для смягчения или устранения гармоник?

1. Сетевой дроссель переменного тока/дроссель звена постоянного тока

Используя дроссель звена постоянного тока, мы можем ограничить пиковое значение линейного тока, поступающего на ЧРП, что ослабит 5-ю и 7-ю гармоники, которые являются одними из основных составляющих к полному гармоническому искажению тока. В этом решении катушки индуктивности устанавливаются после выпрямителя внутри частотно-регулируемого привода. Преимущество использования дросселя звена постоянного тока заключается в наличии дополнительного импеданса для уменьшения гармоник без заметного падения напряжения. В сетевом реакторе переменного тока это может привести к заметному падению напряжения до того, как оно достигнет частотно-регулируемого привода. Если мы не уменьшим это падение напряжения, это может снизить напряжение на шине постоянного тока. Это ограничивает максимальное напряжение, доступное для работы двигателя, что может увеличить ток двигателя и вызвать проскальзывание двигателя. Недостатком использования дросселя звена постоянного тока является отсутствие защиты выпрямителя от скачков напряжения из-за расположения дросселя звена постоянного тока.

Рис. 2: Дроссель звена постоянного тока в частотно-регулируемом приводе

Дроссель сети переменного тока — это аксессуар, который располагается со стороны линии частотно-регулируемого привода. Что он делает, так это ограничивает текущие пики. Преимущество использования сетевого дросселя переменного тока по сравнению с дросселем шины постоянного тока заключается в том, что сетевой реактор переменного тока защитит весь частотно-регулируемый привод от скачков напряжения в энергосистеме. Однако этот реактор может вызвать напряжение, приводящее к неэффективности двигателя, как упоминалось ранее. В целом, оба этих решения имеют свои преимущества и недостатки, поэтому вам придется исследовать и посмотреть, какое из них будет более применимым в зависимости от вашей электрической системы, требований к пространству и бюджета.

2. Пассивные фильтры

Можно разработать пассивный фильтр на стороне линии ЧРП для удаления определенных гармоник, создаваемых ЧРП. Пассивный фильтр представляет собой комбинацию конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенную для подавления гармонических токов и уменьшения искажений напряжения. Эти фильтры будут иметь разные значения импеданса на разных частотах и ​​должны иметь высокие значения импеданса для блокируемых частот.

3. Активные фильтры

Активные фильтры измеряют содержание гармоник в электрической системе и вводят гармоники, находящиеся в обратной фазе, чтобы подавить содержание гармоник. Они могут измерять гармоники, возникающие в вашей электрической системе, и подключаются параллельно к вашим нелинейным нагрузкам.

Рис. 3: Активный фильтр

4. Трансформаторы с номиналом K — треугольник-звезда

трансформатор. Тем не менее, трансформатор по-прежнему будет испытывать 3-кратный фазный ток вдоль нейтрального провода из-за тройных гармоник. Трансформаторы с номиналом K обычно представляют собой трансформаторы увеличенных размеров, которые могут выдерживать вредные эффекты перегрева, вызванные гармониками, генерируемыми нелинейными нагрузками. Чем больше К-фактор, тем больше гармоник он может выдержать. Недостатком этого является то, что вы увеличиваете размер трансформатора, требуете больше места и фактически не удаляете гармоники из электрической системы. Трансформатор также имеет высокий импеданс, который может усугубить искажение напряжения и повлиять на ваши электрические нагрузки.

5. Трансформаторы подавления гармоник

Эти трансформаторы специально разработаны для работы с нечетными тройными гармониками и гармониками 5-го, 7-го и более высоких порядков. Трансформаторы для подавления гармоник (HMT) используют метод фазового сдвига и их вторичные обмотки с низким сопротивлением нулевой последовательности, соединенные звездой зигзаг, для устранения гармоник в системе и уменьшения искажений напряжения. ГМТ с их вторичными обмотками, соединенными звездой и зигзагом, могут предотвратить циркуляцию вредных тройных гармонических токов на первичной стороне треугольника и снизить импеданс токов нулевой последовательности и, следовательно, снизить искажение напряжения.

Остальные основные гармоники от трехфазных нелинейных нагрузок, например 5-я, 7-я, 11-я и т. д., обрабатываются фазовым сдвигом. Подключив четное количество ГМТ с различными конфигурациями фазового сдвига к общей шине и сбалансировав нелинейные нагрузки, мы можем компенсировать и предотвратить прохождение оставшихся основных гармоник вверх по течению к источнику. Одним из недостатков сдвига фаз является то, что подрядчику по электроснабжению необходимо обеспечить идеальную балансировку нелинейных нагрузок и их возможность компенсировать друг друга на общей шине.

Рис. 4: Применение трансформаторов HMT

6. 6-й/12-й/18-й и т. д. Импульсные приводы

В трехфазной выпрямительной системе, например ЧРП, потребуется 6-пульсный выпрямитель. Этот 6-пульсный выпрямитель может создавать определенные гармоники, которые можно рассчитать следующим образом:

Порядок гармоник = n*6 +/- 1, где n — целое число, большее 1, а 6 — 6-пульсный привод.

Из приведенного выше уравнения, если n равно 1 и 2, мы получим гармоники 5-го, 7-го, 11-го, 13-го порядка от этого частотно-регулируемого привода.

Что произойдет, если использовать 12-пульсный выпрямитель? Из приведенного выше уравнения, если n равно 1 и 2, мы получим гармоники 11-го, 13-го, 23-го, 25-го порядка. Мы видим, что, используя выпрямитель более высокого порядка, мы можем устранить основные гармоники, такие как гармоники 5-го и 7-го порядка. Тем не менее, есть недостаток, который приходит с этим. Если вы используете 12-импульсный привод, вам потребуется шестифазное подключение к приводу для устранения основных гармоник. Это означает, что вам понадобится многообмоточный трансформатор со вторичной обмоткой, соединенной звездой и треугольником, сдвинутой по фазе друг от друга, чтобы компенсировать эти гармоники. Это означает, что вам потребуется больше кабелей и больше места.

Рисунок 5: 12-й импульсный привод и вторичные обмотки трансформатора

В заключение можно сказать, что воздействие гармоник может нанести ущерб вашему электрическому оборудованию и всем вашим электрическим нагрузкам из-за чрезмерного нагрева и искажения напряжения. Эти эффекты могут сократить срок службы вашего оборудования и потребовать от вашего предприятия или объекта большего объема технического обслуживания. Однако, как упоминалось выше, есть способы смягчить и допустить эти гармоники. Большинство решений необходимо будет изучить на основе бюджета вашего клиента, объема свободного места и типа нелинейных нагрузок, с которыми вы имеете дело. Изучив все эти пункты, можно попытаться выбрать решение, которое лучше всего соответствует их ситуации. Я надеюсь, что вы нашли это полезным, и, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать или дайте мне знать, если что-то не так. Благодарю вас!

Что такое Гармоники, Создание, Устранение в Энергосистеме

Гармоники в электрике есть не что иное, как целочисленное произведение основной частоты. Гармоника – это нежелательная искаженная форма волны, частота которой выше основной частоты. Поскольку все наше электрооборудование рассчитано на частоту 50 или 60 Гц, в зависимости от страны, высокочастотный сигнал вызывает снижение производительности системы, повышение температуры, повышение напряжения нейтрали и т. д. Обычно гармоники создаются нелинейной электроникой. нагрузки, такие как балласт электроники, частотно-регулируемые приводы, зарядное устройство, все электронные устройства и т. д.

Система счисления

Пожалуйста, включите JavaScript

Система счисления

См.: Почему в Индии используется частота сети 50 Гц, а в США — частота 60 Гц

Как электрические гармоники возникают в энергосистеме:

Возьмите одиночный VFD. Как вы знаете, ЧРП состоит из преобразователя переменного тока в постоянный и преобразователя постоянного тока в переменный и других электронных компонентов. Основная причина возникновения гармоник заключается в том, что мы используем высокоскоростное переключение при преобразовании сигнала постоянного тока в сигнал переменного тока. Посмотрите на выходной сигнал шестиступенчатого инвертора VFD, как искажается сигнал. Однако мы даем чистую синусоиду, но получаем искаженную синусоиду. Оставшаяся часть искаженной волны называется гармониками. Также обратите внимание на частоту оставшейся гармоники. Она выше, чем основная входная частота.

Как электрические гармоники возникают в энергосистеме

[wp_ad_camp_2]

Основная гармоника в электротехнике:

Обычно мы получаем энергию от генератора, частота которого называется основной частотой. Основная частота будет 50 Гц или 60 Гц. Все электрические и электронные приборы предназначены для работы на этой частоте. Ее еще называют первой гармоникой.

Гармоника 1-го порядка

Вторая гармоника в электротехнике:

Форма волны с частотой 100 Гц (2 * 50 Гц). Следовательно, волна второй гармоники имеет удвоенную частоту основной гармоники. Смотрите форму волны. Там, когда основная гармоника достигает нуля, она, наоборот, достигает высокого значения. Вот почему вторая гармоника создает обратное направление, что означает, что в электрической цепи течет ток обратной последовательности. это ток противодействует вращающемуся магнитному полю в асинхронном двигателе. Это приводит к уменьшению механического крутящего момента в электродвигателе . Ее еще называют гармоникой обратной последовательности.

Гармоника 2-го порядка

Третья гармоника в электротехнике:

Третья гармоника, частота которой в три раза превышает частоту основной гармоники. Частота третьей гармоники составит 150 Гц (3*50 Гц). Это очень опасная гармоника. Вы видите форму волны, когда ток основной гармоники достигает нуля, ток третьей гармоники также достигает нуля, подобно тому, как основная гармоника достигает высокого значения, она достигает высокого значения на отрицательной стороне. Вот почему создает ток нулевой последовательности в энергосистеме. Так как это вызывает повышение напряжения нейтрали в системе. Повышая напряжение нейтрали, реле приводит в действие автоматический выключатель . Это эффект токов третьей гармоники. Ее также называют гармоникой «тройной линзы».

Гармоника 3-го порядка

Четвертая гармоника:

Частота четвертой гармоники должна быть кратна 4 основной частоте 200 Гц. Вы можете видеть форму волны, где основная гармоника достигает высокого значения, гармонический ток также достигает высокого значения и наоборот для отрицательной стороны. Вот почему увеличивает ток в проводнике и повышает температуру электрооборудования . Ее также называют положительной гармоникой.
[wp_ad_camp_2]

Гармоника 4-го порядка

5-я электрическая гармоника:

5-я гармоника

Частота 5-й гармоники составляет 250 Гц, обычно 5*50 Гц. Посмотрите на волну, потому что, когда основные принципы достигают нуля, они идут вверх, и наоборот. Так что, 5-я гармоника у нас будет иметь обратный порядок фаз. И он будет вращаться в противоположном направлении. Таким образом, 5-я гармоника будет находиться в области торможения. 5-я гармоника противоположного вращения асинхронного двигателя. То же, что вторая гармоника.

Заключение об электрических гармониках:

Гармоники – это нежелательные искажения формы волны тока или напряжения, которые вызывают повышение температуры проводника, снижение крутящего момента и увеличение напряжения нейтрали. В отличие от гармоник положительной (4-й, 7-й, 10-й) и обратной последовательности (2-я, 5-я, 8-я) токов, которые компенсируют друг друга, гармоники третьего порядка или тройные гармоники (3-я, 6-я, 9-я, …) не компенсируются. Для останова тока третьей гармоники в энергосистеме обычно используются высокоиндуктивные реакторы. Однако поток нежелательных гармоник тока (любого типа гармоник) в энергосистеме снижает эффективность системы.

См. также:
  • 10 фактов об электричестве в организме человека
  • 100% защита статора от замыканий на землю генератора
  • 4 различных типа трансформаторов тока
  • 7 Назначение резистора заземления нейтрали NGR Трансформатор и генератор
  • Почему в Индии 11 кВ, 22 кВ, 33 кВ, 66 кВ, 132 кВ…
  • Почему асинхронный двигатель потребляет большой пусковой ток
  • Почему катушки индуктивности используются в схемах фильтрации и частотно-регулируемых приводах
  • Почему батарея United AmpsHour AH
  • Почему трансформатор освещения используется для освещения нагрузок
  • Почему в ЧРП
  • используются сетевые дроссели
  • Почему полюса генератора с постоянными магнитами (PMG) высокие

Если вам понравилась эта статья, никогда не забывайте делиться с друзьями в социальных сетях

Понимание гармоник: | Plant Engineering

К настоящему времени каждый инженер-электрик что-то слышал о гармониках.

Гармоники генерируются нелинейными нагрузками, такими как традиционные приводы с регулируемой скоростью, системы бесперебойного питания (ИБП) и любые другие устройства преобразования энергии, которые преобразуют переменный ток в постоянный с помощью выпрямительного моста той или иной формы. Любое устройство, потребляющее импульс тока из электрической сети менее чем на всю вольта…

Руди Т. Водрич, Schneider Electric/Square D 15 августа 2007 г.

К настоящему времени каждый инженер-электрик что-то слышал о гармониках. Гармоники генерируются нелинейными нагрузками, такими как традиционные приводы с регулируемой скоростью, системы бесперебойного питания (ИБП) и любые другие устройства преобразования энергии, которые преобразуют переменный ток в постоянный с помощью выпрямительного моста той или иной формы. Любое устройство, потребляющее импульс тока из электрической сети менее чем на всю волну напряжения, генерирует гармоники (рис. 1). Гармоники — это просто математическое представление этих искаженных сигналов, которые позволяют нам моделировать реакцию электрической сети на различных частотах, а также лучше понимать и предсказывать, как электрическая сеть будет реагировать на этот высокочастотный контент — или «электрическое загрязнение».

Гармоники: плохие

Нам важны гармоники по нескольким причинам. Во-первых, гармонический ток генерирует тепло во всех токонесущих компонентах системы распределения электроэнергии: распределительных устройствах, выключателях, предохранителях, кабелях, конденсаторах, токопроводах, сборных шинах и трансформаторах. Гармонический ток выделяет больше тепла в расчете на один ампер, чем ток на основной частоте (60 Гц). Несмотря на то, что распределительная система часто проектируется консервативно с учетом сверхтоков, необходимо учитывать вклад гармонического нагрева.

Во-вторых, гармонический ток, протекающий через полное сопротивление системы, вызывает гармонические искажения напряжения. Думайте о гармоническом токе как о течении от сети к нелинейным нагрузкам. Когда ток пересекает основные импедансы системы, такие как распределительные трансформаторы или линейные реакторы, или даже длинные кабели или шинопроводы, он вызывает падение напряжения. Чем ближе вы подходите к нелинейным нагрузкам, тем более искаженной становится форма сигнала напряжения от истинной синусоиды. В серьезных случаях искажение напряжения может вызвать проблемы в работе чувствительного электронного оборудования, такого как программируемые логические контроллеры (ПЛК) и, по иронии судьбы, приводы с регулируемой скоростью (ЧРП).

Искажение напряжения — функция гармонического тока и импеданса системы — хуже проявляется в «мягких» электрических системах с низким уровнем допустимых отказов. Таким образом, пользователи в конце распределительной сети в удаленных местах или пользователи, работающие от генератора, с большей вероятностью столкнутся с проблемами, связанными с чрезмерными искажениями напряжения.

Другая проблема, связанная с искажением напряжения, заключается в том, что оно приводит к распространению гармоник по сети и к линейным нагрузкам. Линейные нагрузки именно такие — линейные. Если вы приложите треугольную волну напряжения к линейной нагрузке, такой как двигатель с полным напряжением, подключенным к сети, он попытается нарисовать треугольную форму волны тока. Следовательно, по мере увеличения искажения напряжения линейные нагрузки начинают потреблять гармонический ток.

В случае двигателей некоторые из этих гармоник напряжения, особенно 5-я и 11-я гармоники, создают в двигателе противо-ЭДС и, следовательно, снижают его КПД. Дополнительный нагрев двигателя, вызванный протеканием гармонического тока, также может вызвать дополнительный износ и сократить срок службы двигателя.

В-третьих, наличие гармоник в электрической системе делает методы коррекции низкого коэффициента мощности более сложными и дорогими. Традиционно конденсаторы устанавливаются для улучшения коэффициента мощности, что повышает эффективность системы и обычно приводит к некоторой экономии на ежемесячных счетах за электроэнергию. Хотя конденсаторы не генерируют гармоники, они могут взаимодействовать и усиливать уровни гармоник за счет условия, называемого резонансом, увеличивая уровни гармонических искажений тока и напряжения.

Коррекция коэффициента мощности

Хотя гармоники рассматриваются как стационарное явление, уровни гармоник в электрической сети действительно динамичны по своей природе, быстро меняются при циклическом включении и выключении различных нагрузок и различаются по величине, например, в случае преобразователей частоты. . Системы коррекции коэффициента мощности должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать резонанса, а также справляться с изменяющимися требованиями к реактивной мощности и различными уровнями гармоник в сети.

Кроме того, система коррекции коэффициента мощности должна быть рассчитана не только на уровни гармоник, присутствующие в сети в настоящее время, но и на возможное увеличение в будущем при добавлении нагрузки. Отсутствие учета гармоник на этапе проектирования проекта коррекции коэффициента мощности неизбежно приведет к преждевременному отказу. Помните, что гармонический ток генерирует тепло в токоведущих компонентах сети, а конденсаторные системы имеют тенденцию поглощать гармоники и, таким образом, несут основную тяжесть этого эффекта.

Наконец, стандарт IEEE 519-1992 требует, чтобы конечные пользователи ограничивали уровни гармоник, чтобы обеспечить стабильность сети для всех пользователей. В нем указаны допустимые уровни гармонических искажений (как напряжения, так и тока) и точка общего соединения (PCC) с коммунальным предприятием.

Правда в том, что клиент X редко влияет на клиента Y в сети, скорее, клиент X сам создает себе проблемы в четырех стенах своего дома. Более практичным подходом является применение пределов гармоник, изложенных в IEEE 519., но в пределах электрической сети заказчика (как правило, на низком уровне напряжения). Это гарантирует, что гармонические проблемы не возникнут.

Люди в промышленности говорят, что «Гармоники не являются проблемой, пока они не являются проблемой». Однако мы склонны откладывать решение мелких проблем до тех пор, пока они не станут большими проблемами. Таким образом, гармоники подобны большинству других типов загрязнения. Хитрость заключается в том, чтобы понять, что есть проблема, пока не стало слишком поздно. Как и в случае с большинством других видов загрязнения, унция профилактики часто стоит фунта лечения.

Методы смягчения последствий

Теперь, когда мы узнали о проблемах, которые могут вызывать гармоники, как нам минимизировать их? Методы подавления гармоник делятся на две группы: на уровне устройств и на уровне систем. Решения на уровне устройств включают в себя:

  • Индукторы и изоляционные трансформаторы

  • 5th Harmonic Filters

  • широкополосные фильтры 9000

  • 1699
  • 9000

    9000

  • 169
  • 9000 9000 2 9017.
  • 9000

    69.
  • .
  • 9000

  • 9000

  • .0003
  • Активные входные преобразователи (AFE).

    • Пассивные фильтры

    • Активные фильтры гармоник.

      • Простейший метод уменьшения гармоник — добавление импеданса перед основными нелинейными нагрузками. Этот метод недорог и относительно прост в реализации. Добавление 3% (или больше) индуктивности перед преобразователем частоты может дать эффект сглаживания тока, уменьшая общее гармоническое искажение тока с 9от 0% до примерно 35%. Кроме того, этот метод обеспечивает небольшое подавление переходных процессов в нагрузке, а также дополняет активную фильтрацию гармоник.

        Два недостатка этого метода заключаются в том, что фактическое подавление гармоник в некоторой степени зависит от импеданса источника и что существенное влияние оказывает только первое приращение импеданса. Другими словами, добавление второй индуктивности 3% не делает ситуацию существенно лучше, чем первая индуктивность.

        Второй метод на уровне устройства заключается в добавлении настроенного фильтра на входные клеммы устройства (рис. 2). Катушка индуктивности (Lp) и конденсатор (C) обеспечивают путь с низким импедансом на одной настроенной частоте (обычно 5-й), в то время как вторая катушка индуктивности (Ls) действует как упомянутая выше катушка индуктивности, которая уменьшает гармоники от нагрузки за счет эффекта сглаживания тока. , а также отделить ветвь фильтра от остальной части электрической сети, чтобы свести к минимуму риск того, что настроенный фильтр поглотит гармоники из других источников в сети и перегрузится.

        Недостаток пассивного фильтра, применяемого к устройству, заключается в том, что, если он каким-либо образом не переключен, он постоянно подает в сеть фиксированное количество реактивной мощности (ВАР), даже если нагрузка не работает. Этот метод достаточно хорошо работает для преобразователей частоты постоянного тока, поскольку они предъявляют высокие требования к реактивной мощности. Однако для преобразователей частоты переменного тока или ИБП, которые практически не нуждаются в компенсации реактивной мощности, этот метод менее практичен, поскольку может привести к опережающему коэффициенту мощности.

        Широкополосный фильтр — еще одно решение на уровне устройства, в котором используются катушки индуктивности и конденсаторы (рис. 3). В широкополосном фильтре используются три отдельные катушки индуктивности и один конденсатор, тщательно подобранные для эффективного подавления гармоник до 13-го порядка.

        Недостатки широкополосного фильтра заключаются в том, что его можно безопасно использовать только с диодными входными преобразователями, он физически велик и потери устройства превышают 5%. Как последовательно соединенные устройства, как широкополосные, так и настроенные фильтры имеют возможность отключения питания нагрузки в случае отказа компонента внутри фильтра. Для критических нагрузок это может быть существенным недостатком.

        Многоимпульсные приводы используют схему фазового сдвига с несколькими силовыми преобразователями для подавления гармоник за счет фазового сдвига (рис. 4). Уровни текущих искажений в 12- и 18-импульсных конфигурациях существенно улучшены по сравнению с 6-импульсными. Однако за это приходится платить. Физический размер диска намного больше, а первоначальная цена покупки выше. Кроме того, существуют значительные потери, связанные со сдвигом магнитной фазы, что способствует увеличению эксплуатационных расходов многоимпульсных приводов.

        Эти потери тепла также необходимо учитывать при расчете потребности в охлаждении помещения, в котором установлены устройства.

        Активные входные преобразователи (AFE) являются относительно недавней разработкой и используются как в преобразователях частоты, так и в ИБП. В устройстве AFE используется преобразователь на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), который может уменьшить гармоники на выходе устройства и поддерживать коэффициент мощности, близкий к единице. Кроме того, IGBT может обеспечивать работу преобразователя частоты в 4 квадрантах, обеспечивая рекуперативное торможение, которое полезно во многих технологических процессах и обеспечивает еще большую энергоэффективность. Чтобы искажения напряжения не были чрезмерными, в топологии используется сетевой фильтр.

        Существуют серьезные ограничения на типы нагрузок, разрешенных на той же шине, что и устройство AFE, что во многих случаях делает непрактичным их использование. Другие преобразователи на основе IGBT или кремниевых выпрямителей, конденсаторы и импульсные источники питания запрещены. AFE VSD также очень большой и дорогой по сравнению с традиционными топологиями привода, а входные катушки индуктивности на AFE значительно увеличивают рабочие потери по сравнению с обычными VSD.

        Пассивный фильтр подавления гармоник может содержать цепь последовательного/шунтирующего конденсатора/индуктора и последовательную катушку индуктивности или трансформатор. Этот тип фильтра часто добавляется в электрическую систему в качестве периферийного устройства к системе привода. Однако он должен быть настроен на индивидуальный привод. Для нескольких дисков требуется несколько фильтров.

        Активные фильтры подавления гармоник иногда называют активными стабилизаторами напряжения питания. Вместо того, чтобы блокировать или шунтировать гармонические токи, активные фильтры пытаются их обусловить. Активные фильтры гармоник отслеживают и воспринимают гармонические токи электронным способом и генерируют соответствующие формы волны для противодействия первоначальным гармоническим токам. Сгенерированный сигнал вводится обратно в источник питания, чтобы нейтрализовать гармонический ток, генерируемый нагрузкой.

        Информация об авторе
        Руди Т. Водрич является директором группы качества электроэнергии Schneider Electric/Square D в Торонто, Онтарио. Работает в области качества электроэнергии более 15 лет. Его команда отвечает за решение проблем качества электроэнергии, связанных с фликером, гармониками, падением напряжения и коэффициентом мощности.

Есть ли у вас опыт и знания по темам, упомянутым в этом содержании? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную команду CFE Media и получить признание, которого вы и ваша компания заслуживаете. Нажмите здесь, чтобы начать этот процесс.

Поисковые продукты и открыть новые инновации в вашей отрасли

AutomationDirect

CONTRINEX Фотоэлектрические датчики с совместимостью IO-Link

AutomationDirect

Ironhorse® Jet Pump Sulce Travers Drivemes

.

Микроприводы переменного тока DURApulse GS10

Sensata

Мультимодальный датчик Sensata 6VW

Качество электроэнергии и системные гармоники: существуют практические варианты | Консультации

 

Цели обучения
  • Ознакомьтесь с требованиями IEEE 519.
  • Определить практические решения и методы обеспечения соответствия гармоническим искажениям.
  • Использование экспертов производителей в качестве партнеров с добавленной стоимостью.

Консультирующие и определяющие инженеры, специализирующиеся на электрических и энергосистемах, ищут практичное проектное решение по гармоническим искажениям для большинства приложений, не требующих углубленного моделирования и анализа.

Электричество поддерживает нашу современную производительность и модные удобства в промышленных масштабах по разумной цене. Инновации продолжают предлагать новые решения для распределения электроэнергии, контроля мощности и ответственного управления ресурсами.

Наиболее передовая технология использует импульсные источники питания, которые вносят нелинейные гармоники в энергосистему. Например, промышленность принимает преимущества частотно-регулируемых приводов для управления скоростью, балансировки системы и экономии энергии в обмен на гармонические искажения. Конечный пользователь обычно принимает дополнительные гармонические искажения в нашей энергосистеме с ограниченными возможностями их количественной оценки, понимания или заботы о проблемах качества электроэнергии до тех пор, пока не возникнет серьезная проблема.

Кроме того, общественность не может видеть проблему без помощи специального измерительного оборудования и редко беспокоится о ней до тех пор, пока оборудование не выйдет из строя. Однако гармонические искажения способствуют дополнительному нагреву (потерям энергии), повреждению изоляции и общему снижению ожидаемого жизненного цикла оборудования. Гармонические искажения также могут влиять на эффективность использования энергии и затраты на коммунальные услуги.

Сложные расчеты, системная динамика и расплывчатые инструкции еще больше усложняют и без того пугающую тему. Однако использование различных инструментов и коммерчески доступных решений может привести к созданию надежных и совместимых коммерческих приложений.

 

Рис. 1. В этом пентхаусе типичная установка обеспечивает физическое пространство над/под преобразователем частоты для фильтров подавления гармоник и других принадлежностей. Предоставлено: IMEG Corp.

Отраслевые руководства, включая IEEE 519

Начнем с изучения рекомендуемых практик и отраслевых стандартов. IEEE 519 – 2014 Рекомендуемая практика и требования к контролю гармоник в электроэнергетических системах определяют допустимые уровни гармонических искажений в системах распределения электроэнергии. Точкой общего присоединения является расположение системы распределения электроэнергии, требующее соблюдения этих ограничений. IEEE 519определяет PCC как точку в энергосистеме общего пользования, электрически ближайшую к конкретной нагрузке, к которой подключены или могут быть подключены другие нагрузки.

PCC, по существу, расположен на общем соединении между коммунальным предприятием и потребителем, которым для большинства установок является сетевой трансформатор. Первичные выводы сетевого трансформатора представляют собой ближайшую точку, к которой другой потребитель может быть подключен к коммунальной сети и ожидает электроэнергию с признанным соблюдением пределов гармонических искажений.

Тем не менее, вторичные клеммы широко используются и приняты в отрасли, поскольку коммунальное предприятие редко разрешает персоналу, не являющемуся обслуживающим персоналом, доступ к первичной стороне трансформатора. Промышленные и кампусные распределительные системы часто требуют инженерной оценки для выбора общей точки соединения.

Допустимые пределы искажения напряжения основаны на напряжении системы. Типичное коммерческое или промышленное предприятие распределяет электроэнергию ниже 1000 вольт. IEEE 519 предлагает максимальное общее гармоническое искажение напряжения ниже 8% для систем с минимальным напряжением 1000 вольт или меньше. Целевое значение искажения тока зависит от других параметров, включая доступный ток короткого замыкания и максимальный потребляемый ток в PCC.

Специалист по проектированию рассчитает ток короткого замыкания на основе информации об электросети и импеданса сетевого трансформатора. Максимальная потребность напрямую связана с потребностью в мощности. NFPA 70: Статья 220 Национального электротехнического кодекса содержит признанные в отрасли рекомендации по потребляемой мощности с очень консервативным результатом. Реальные значения спроса обычно намного ниже и требуют опоры на исторические данные аналогичных объектов или измеренные значения после строительства, что, возможно, недостаточно для принятия решений на этапе проектирования.

Поэтому для предварительного анализа обычно используются признанные в отрасли значения потребляемой мощности, составляющие примерно 35 % подключенной нагрузки. Это значение основано на ранее проведенных исследованиях Министерства энергетики США и нормативной политике Министерства энергетики США 2016 года, определяющей минимальные стандарты эффективности для низковольтных трансформаторов сухого типа.

Краткое изложение рекомендаций IEEE 519 для суммарных гармонических искажений тока и суммарных гармонических искажений напряжения приведено на рис. 2. На рисунке обобщены критерии соответствия гармоническим искажениям в точке общего соединения. Предоставлено: IMEG Corp.

Как использовать IEEE 519

Руководство IEEE 519 ограничивается оценкой гармонических искажений и рекомендациями PCC. Цель состоит в том, чтобы ответственные управляющие объектами смягчали свои собственные гармоники, не влияя на инженерную сеть. Гармоники, вероятно, являются проблемой во внутренней системе распределения электроэнергии и не ограничиваются внешним взаимодействием с электросетью.

Длина кабеля, импеданс, конфигурация системы распределения и расположение нелинейных нагрузок будут влиять на уровни гармонических искажений во всей системе. Разработчик сталкивается с важным вопросом: каковы желательные пределы гармонических искажений в пределах коммерческого или промышленного объекта?

Некоторые информированные и прогрессивные владельцы предприятий принимают консервативное общее гармоническое искажение – ток (THDi) 5 % и общее гармоническое искажение – напряжение (THDv) 8 %, чтобы защитить свои инвестиции в дорогостоящее технологическое оборудование, чувствительную электронику, медицинское оборудование для визуализации и локальная резервная генерация. Другие стандарты оборудования ссылаются на рекомендации IEEE 519 как на передовую практику с ограниченным пониманием темы. Большинство смягчают гармонические искажения только тогда, когда это влияет на их процесс или когда требования к коммунальным услугам угрожают штрафами.

Основными источниками гармонических искажений в коммерческих зданиях являются импульсные источники питания, драйверы светодиодного освещения, источники бесперебойного питания и нагрузки отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с частотно-регулируемым приводом. Промышленные объекты обычно включают технологические приложения в сочетании с двигателями с частотно-регулируемым приводом. Мы обычно называем эти электрические нагрузки нагрузками нелинейного типа. Драйверы светодиодов с хорошей репутацией работают с гармоническими искажениями 10% или меньше. Блоки питания компьютеров вносят такое же гармоническое содержание, что и светодиодное освещение.

VFD, вероятно, вносят наибольший вклад в THD как для коммерческих, так и для промышленных зданий.

Бытовые системы водоснабжения обычно представляют собой визуальную аналогию систем электроснабжения в классе. Санитарная часть бытовых систем водоснабжения имеет аналогичные нормативные ограничения по загрязнению перед сбросом в общественную систему водоснабжения. Разбавление — это решение некоторых проблем с загрязнением воды вместо очистки. Гармоники, генерируемые нелинейными нагрузками в электроэнергетической системе, существенно ослабляются при одновременной работе с линейными нагрузками. Эксплуатация объекта, процессы и влияние пользователя сделают сочетание линейных и нелинейных нагрузок динамичными. Флуктуации можно наблюдать с помощью измерителя гармонического анализа.

Моделирование простого двигателя и частотно-регулируемого привода показывает, что рекомендации по искажению напряжения обычно достижимы без корректирующих действий. Текущие рекомендации по искажению являются проблемой. Доступно бесплатное программное обеспечение различных производителей для предварительного моделирования и анализа решений, связанных с гармоническими искажениями. Одновременная работа однократной нелинейной нагрузки и двухкратной линейной нагрузки обычно снижает уровень гармоник до допустимых пределов IEEE 519.

Примеры линейных нагрузок включают двигатели с постоянной скоростью вращения, использующие пускатели полного напряжения, подключенные через линию, резистивное электронагревание и лампы накаливания. Например, двигатель мощностью 15 л.с. с частотно-регулируемым приводом обычно может быть соединен с двумя двигателями мощностью 15 л. с. без управления частотно-регулируемым приводом или с одним двигателем мощностью 40 л.с. для уменьшения гармоник до приемлемого уровня.

Коммерчески жизнеспособные решения

В современных частотно-регулируемых приводах применяется широтно-импульсная модуляция с использованием биполярных транзисторов с изолированным затвором в конфигурации мостового выпрямителя для воспроизведения традиционной формы волны переменного тока. Несовершенное переключение IGBT способствует гармоническим искажениям. Дополнительные IGBT могут быть добавлены для «сглаживания» шагов переключения и уменьшения гармоник.

ЧРП доступны с 6-, 12- или 18-импульсными конфигурациями с соответственно растущими ценами и ограниченной доступностью. 6-импульсный привод, возможно, наиболее распространен для приложений HVAC из-за низкой стоимости. 12-импульсный привод улучшает условия гармонических искажений, но редко до приемлемого уровня. 18-импульсный привод обычно приводит к гармоническим искажениям в диапазоне от 5% до 8% THDi по цене, почти в два с половиной раза превышающей цену 6-импульсного привода с дросселем на входе.

Технологические достижения предлагают частотно-регулируемые приводы с активным внешним интерфейсом. Рабочие характеристики активного переднего привода обычно ограничивают общее искажение тока до 5% или меньше. Эта технология доступна от производителей в широком диапазоне номинальных мощностей двигателей.

Входные сетевые дроссели и дроссели постоянного тока предлагают дополнительные опции. Эти устройства по существу представляют собой катушки индуктивности или катушки с проволокой. Электромагнитные свойства катушки индуктивности действуют как фильтр и препятствуют быстро меняющемуся току, характерному для гармоник и переключения IGBT. Сетевые дроссели обычно применяются на входной клемме частотно-регулируемого привода, а сетевые дроссели постоянного тока устанавливаются производителем на шину постоянного тока, обслуживающую выпрямительный мост IGBT. Сетевые дроссели и дроссели постоянного тока обычно доступны со значениями импеданса 3% или 5%, при этом линейные дроссели создают соответствующее падение напряжения в ответвленной цепи. Значение 3% обычно используется для улучшения гармонических искажений и ограничения падения напряжения.

Фильтры гармоник предлагают альтернативные варианты и доступны в пассивном и активном типах. На входе привода применяются пассивные фильтры, сконфигурированные с последовательным индуктором (аналогично сетевому реактору) и параллельным конденсатором. Конденсатор обеспечивает второе преимущество, корректируя коэффициент мощности, что необходимо учитывать при работе с нагрузками на ограниченных источниках энергии, таких как аварийные генераторы в корпусе. Типичный пассивный фильтр удерживает конденсатор в цепи, когда двигатель не работает.

Таким образом, конденсатор продолжает корректировать коэффициент мощности, когда двигатель работает с малой нагрузкой или выключен. Несколько пассивных фильтров, подключенных к аварийному генератору, могут вызывать беспокойство. Аварийные генераторы и другие ограниченные источники энергии обычно ограничиваются условием опережающего коэффициента мощности от 3% до 5%, прежде чем инициируется защитное отключение. Пассивные фильтры могут быть оснащены вспомогательным контактом для отключения конденсатора, когда соответствующий двигатель не работает.

Активные фильтры подавления гармоник могут применяться на входе ЧРП или на общей шине с несколькими ЧРП. Активный фильтр отслеживает гармоники на шине, оценивает корректирующие требования и применяет корректирующие усилители на общей шине для устранения гармонических искажений. Активные фильтры обычно представляют собой значительные инвестиции и оцениваются в амперах корректирующего тока. Активные фильтры могут быть рассчитаны на основе предварительного анализа модели или путем оценки результатов исследования гармонического анализа в существующих приложениях.

Практическое применение и рекомендации

Уменьшение гармонических искажений обычно ограничено в оригинальных проектах по целому ряду причин, включая общее непонимание, загадочность, связанную с решениями, влияние на стоимость и тот факт, что IEEE 519 является руководством, а не обязательным кодом . Не забывайте извечную поговорку: зачем чинить, пока не сломалось? На самом деле, возможно, он сломан, и наблюдаемые последствия неизбежны.

Практические приложения и рекомендации (см. рис. 3) должны учитывать избыточность, повторяемость и способствовать уменьшению гармонических искажений, чтобы быть хорошим соседом. Уменьшение гармонических искажений внутри объекта заказчика, возможно, имеет такое же значение, как и ослабление гармонических искажений в коммунальной системе PCC. IEEE 519соответствие в PCC не гарантирует соответствие каждому подкомпоненту системы распределения электроэнергии.

Рисунок 3: На рисунке представлено практическое решение для управления гармоническими искажениями в системе распределения электроэнергии. Предоставлено: IMEG Corp.

Большинство электрических нагрузок в современных коммерческих зданиях вносят гармонические искажения. Светодиодное освещение и энергетические коды значительно сократили часть, связанную с освещением. Компьютеры и другое разное оборудование с источниками питания импульсного типа также составляют меньшую часть. Двигатели с частотно-регулируемым приводом вносят наибольший вклад в гармонические искажения.

Таким образом, разрешение гармонических искажений в двигателях с частотно-регулируемым приводом практически обеспечит наиболее эффективное действие для соответствия IEEE 519. Соответствие гармоническим искажениям на входных клеммах частотно-регулируемого привода, а не на входах коммунальных служб, обеспечивает дополнительную защиту оборудования на объекте.

Помните, что разбавление — это стратегия. Комбинации двигателя и частотно-регулируемого привода большей мощности оказывают более сильное влияние гармонических искажений на всю систему, если они не оснащены реакторами или фильтрами входной линии. Что касается нашего предыдущего примера, то для надлежащего ослабления гармонических составляющих нагрузки, управляемой частотно-регулируемым приводом, требуется удвоенная или более нагрузка линейного типа. Как правило, 6-импульсные двигатели с частотно-регулируемым приводом с номинальной мощностью, равной или меньшей 15 лошадиных сил, и входным сетевым дросселем 3% или сетевым дросселем постоянного тока обычно не требуют дополнительной коррекции из-за разбавления другими линейными нагрузками. Сетевые дроссели на входе 3% и 5% обычно уменьшают 15 лошадиных сил и более низкие приложения примерно до 35–40% общего искажения тока.

Для двигателей с частотно-регулируемым приводом мощностью более 15 л.с. требуется дополнительный план коррекции гармонических искажений, поскольку трудно обосновать сопряжение с адекватными величинами линейной нагрузки. Входные сетевые дроссели и сетевые дроссели постоянного тока редко обеспечивают адекватную коррекцию в сочетании с 6-импульсными приводами. Решения включают 18-импульсные приводы с входным сетевым дросселем 3% или 6-импульсные приводы с входным пассивным фильтром. Эти конфигурации обычно уменьшают искажения тока на 5-8%.

Альтернативное решение — активный фильтр. Активный фильтр может быть применен к входной части отдельных частотно-регулируемых приводов или к общей шине. Некоторые производители частотно-регулируемых приводов предлагают линейки продукции частотно-регулируемых приводов с активным входным каскадом и производительностью, аналогичной активному фильтру. Применение активного фильтра к общей шине, обслуживающей несколько частотно-регулируемых приводов, предлагает динамическое решение для разрешения новых и существующих условий гармонических искажений. Активные фильтры и активные внешние приводы обычно снижают искажения тока до уровня менее 5%.

Рис. 4: Система охлаждения воды среднего напряжения с установленным на полу частотно-регулируемым приводом, который обычно является одной из самых больших нагрузок, вносящих гармонические искажения в центральную установку. Строгая коррекция гармонических искажений больших нагрузок позволяет приложениям меньшей мощности (15 лошадиных сил и меньше) применять 6-импульсные приводы с дросселями на входе в качестве решения общей стратегии. Предоставлено: IMEG Corp.

Конкурсные торги, закупка ЧРП и подача заявок

Закупка продукции обычно осуществляется через местного представителя завода или дистрибьюторскую сеть. Распределительные организации выполняют заказы с различными возможностями технической поддержки. Представительские сети обычно представляют собой обученных на заводе агентов, способных оказывать техническую поддержку. Конкурентные торги обычно выгодны покупателю, бюджету проекта и результатам торгов. Задача заключается в спецификации ЧРП, позволяющей производителям предлагать свои лучшие решения по лучшей цене и продвигать IEEE 519.согласие.

Коэффициент гармонических искажений частотно-регулируемого привода зависит от производителя. Поэтому изготовителю следует проводить исследования гармонических искажений IEEE 519 в отношении установленного оборудования. Большинство авторитетных производителей частотно-регулируемых приводов могут выполнить исследование IEEE 519 на этапе подачи рабочих чертежей проекта.

Для составления отчета для анализа требуется размер сетевого трансформатора, потребляемый ток, ток короткого замыкания, понимание системы распределения и сводка новых и существующих нелинейных и линейных нагрузок. Поставщики и подрядчики обычно заинтересованы в том, чтобы представить более дешевые варианты, чтобы выиграть проектные заявки. Сбор и анализ необходимой информации для отчетов о гармонических искажениях обычно не является приоритетом на этапе торгов.

Таким образом, исследования обычно не представляются или, когда они представляются, выявляют проблемы с гармоническими искажениями, а решения не включаются в цену предложения с финансовой точки зрения. Финансовая ответственность за уменьшение гармонических искажений обычно ставится под сомнение после подачи заявки.

Критерии гармоник на основе характеристик, измеренные на входных клеммах узла ЧРП, со списком приемлемых технических решений предлагают практическое решение. Таким образом, поставщик может представить 6-пульсный привод с фильтром, ЧРП с активным входным каскадом, 18-пульсный ЧРП или любое сочетание приемлемых конфигураций. Эта стратегия позволяет представителям производителей вносить свой дополнительный технический опыт и предлагать свои лучшие технические решения по лучшей цене.

Требования к производительности могут быть определены для приложений, превышающих 15 лошадиных сил. Разработчик может потребовать соответствия IEEE 519 на входном терминале частотно-регулируемого привода или указать конкретное пороговое значение. Примеры включают THDv < 8%, THDi < 5% для коммерческих объектов и THDi < 8% для промышленных объектов.

Средства гармонического анализа сторонних производителей

Различные производители предлагают бесплатное программное обеспечение для анализа гармонических искажений для приложений, требующих более глубокой оценки. Следующий список не является исчерпывающим, но предлагает примеры для рассмотрения:

  • Расчет гармонических искажений ABB.
  • Калькулятор гармоник Eaton.
  • Калькулятор электрических гармоник Schneider.
  • Trans-Coil International Harmonic Guard Solutions Center.
  • Yaskawa Оценщик гармоник.

Альтернативные программы моделирования на основе подписки предлагают дополнительные функции и возможности.

Принимая во внимание практические применения и рекомендации, а также используя сторонние инструменты, имеющиеся в распоряжении инженера-консультанта, можно найти коммерчески жизнеспособные решения для гармонических искажений.

Есть ли у вас опыт и знания по темам, упомянутым в этом содержании? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную команду CFE Media и получить признание, которого вы и ваша компания заслуживаете. Нажмите здесь, чтобы начать этот процесс.

Что такое гармоники в электротехнике? – Raiseupwa.com

Что такое гармоники в электротехнике?

Гармоники создаются электронным оборудованием с нелинейными нагрузками, потребляющими ток резкими короткими импульсами. Короткие импульсы вызывают искажение формы волны тока, что, в свою очередь, заставляет гармонические токи течь обратно в другие части энергосистемы.

Что такое анализ электрических гармоник?

Модуль позволяет пользователю моделировать нелинейные нагрузки и другие источники гармонических токов, такие как преобразователи и дуговые печи, а также легко обнаруживать резонансные частоты из-за батарей конденсаторов. …

Как гармоники влияют на электрическую систему?

Когда формы сигналов отклоняются от синусоидальной формы, они содержат гармоники. Эти гармоники тока искажают форму волны напряжения и создают искажения в энергосистеме, которые могут вызвать множество проблем. Энергосистема может содержать один или два различных вида нагрузки, нелинейную нагрузку или линейную нагрузку. гармоники.

Что вы подразумеваете под гармониками?

Гармоника – это сигнал или волна, частота которой является целым (целым) кратным частоты некоторого опорного сигнала или волны. называются четными гармониками; сигналы на частотах 3 f , 5 f , 7 f и т. д. называются нечетными гармониками. Теоретически сигнал может иметь бесконечно много гармоник.

Что такое 3-я, 5-я и 7-я гармоники?

Гармоники – это напряжения или токи, действующие на частоте, кратной основной частоте. Таким образом, при частоте основной волны 50 Гц частота 2-й гармоники будет 100 Гц (2 x 50 Гц), 3-й гармоники будет 150 Гц (3 x 50 Гц), 5-й частоты 250 Гц, 7-й частоты 350 Гц и так далее.

Почему нет четных гармоник?

Теоретически четные гармоники не должны возникать в питании, поскольку для нечетного сигнала с периодом T (т. е. сигнала, где – f(t) = f(T-t)) нет четных составляющих спектра. Четные гармоники часто имеют меньшую амплитуду, чем нечетные гармоники, но оказывают более вредное воздействие на энергосистемы.

Чем опасны электрические гармоники?

Гармонические искажения могут привести к смещению точек пересечения напряжения с нулем, и эти изменения могут иметь решающее значение для многих типов электронных схем управления. Кроме того, если происходит неправильное переключение, может возникать больше гармоник, что усугубляет проблему.

Что такое 1-я, 2-я и 3-я гармоники?

Основная форма волны (или первая гармоника) — это синусоидальная форма волны, имеющая частоту питания. Таким образом, при частоте основной волны 50 Гц частота 2-й гармоники будет 100 Гц (2 x 50 Гц), 3-й гармоники будет 150 Гц (3 x 50 Гц), 5-й частоты 250 Гц, 7-й частоты 350 Гц и так далее.

Как рассчитываются гармоники?

Частота каждой гармоники (fn) определяется уравнением fn = n • f1, где n — номер гармоники, а f1 — частота первой гармоники.

Что такое 3-я 5-я гармоника?

Что вызывает гармоники 3-го порядка?

Гармоники третьего порядка Этот тип гармоник возникает при нелинейных нагрузках. Примеры нелинейных нагрузок включают транзисторы, электродвигатели и неидеальный трансформатор. Нелинейные нагрузки создают возмущения в основной гармонике, которые производят все типы гармоник.

Существуют ли четные гармоники?

Гармоники в энергосистемах генерируются нелинейными нагрузками. Четные гармоники обычно не существуют в энергосистеме из-за симметрии между положительной и отрицательной половинами цикла.

Что такое гармоники в электроэнергетической системе?

В электроэнергетической системе гармоника представляет собой напряжение или ток, кратное основной частоте системы, создаваемое действием нелинейных нагрузок, таких как выпрямители, разрядное освещение или насыщенные магнитные устройства. Частоты гармоник в энергосистеме являются частой причиной проблем с качеством электроэнергии.

Что такое первая гармоника?

Гармоника такой волны — это волна с частотой, которая является положительным целым числом, кратным частоте исходной волны, известной как основная частота. Исходная волна также называется 1-й гармоникой, последующие гармоники известны как высшие гармоники.

Что такое гармоники и обертоны?

Основное различие между гармониками и обертонами заключается в том, что обертоны относятся к любой резонансной частоте системы, частота которой выше ее основной частоты, тогда как термин гармоники относится к резонансным частотам, которые являются целыми кратными основной частоты.

Что такое основная гармоника?

Основная гармоника – одна из гармоник. Гармоника — это любой член гармонического ряда, идеальный набор частот, которые являются положительными целыми кратными общей основной частоты. Причина, по которой основная гармоника также считается гармоникой, заключается в том, что она умножается на 1.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.