Kilder til harmoniske i elektriske nettverk

Siden ikke-lineære elementer alltid er tilstede i moderne elektrisk, spesielt i industrielle nettverk, som et resultat, blir strømkurver og spenningskurver forvrengt, og høyere harmoniske vises i nettverk.

Først av alt skyldes ikke-sinusoidalitet tilstedeværelsen av statiske omformere, deretter - synkrongeneratorer, sveisemaskiner, lysrør, lysbueovner, transformatorer, motorer og andre ikke-lineære belastninger.

Matematisk kan ikke-sinusoidaliteten til strøm- og spenningskurvene representeres som summen av hovedharmonikken til nettfrekvensen og dens høyere harmoniske som er multipler av den. Harmonisk analyse resulterer i en trigonometrisk Fourier-serie, og verdiene av frekvenser og faser til de resulterende harmoniske kan enkelt beregnes ved hjelp av formelen:

Faktisk kan den resulterende kombinasjonen av ikke-sinusformede spenninger og strømmer i et trefasenettverk være asymmetrisk eller symmetrisk.Et symmetrisk system av ikke-sinusformede spenninger for multipler av tre harmoniske (k = 3n) fører til dannelsen av et system med nullsekvensspenninger.

Videre, ved k = 3n + 1, genererer den harmoniske i trefasenettverket et symmetrisk system av negative sekvensspenninger. Så hver k-harmonisk av et symmetrisk system av ikke-sinusformede spenninger resulterer i et symmetrisk system av fasespenninger med direkte, revers eller null sekvens.

I praksis viser imidlertid systemet med fase-ikke-sinusformede spenninger seg å være asymmetrisk. Så, magnetiske kjerner av trefasetransformatorer selv er de ikke-lineære og asymmetriske, siden lengdene på de magnetiske banene for midt- og sluttfasen avviker med en faktor på 1,9. Som et resultat er de effektive verdiene til magnetiseringsstrømmene i midtfasen 1,3 - 1,55 ganger mindre enn verdiene til magnetiseringsstrømmene for sluttfasene.

Asymmetriske harmoniske dekomponeres til symmetriske komponenter når hver k-harmoniske danner et asymmetrisk system av fasespenninger og inneholder vanligvis komponenter av tre sekvenser - null, forover og bakover.

Trefasenett med en isolert nøytral karakteriseres ved fravær av nullsekvenskomponenter i hver av fasene, forutsatt at det ikke er jordfeil. Som et resultat er det ingen multipler av tre harmoniske i fasestrømmene, men det er andre harmoniske som inneholder omvendt og positiv sekvenskomponenter.

Strømlikerettere har som regel på DC-siden store induktanser, som er DC-maskinviklinger og utjevningsreaktorer.Disse induktansene er mange ganger høyere enn den ekvivalente induktansen til vekselstrømsiden, derfor oppfører slike likerettere med hensyn til vekselstrømnettverket som kilder til høyere harmonisk strøm. Strømmen rettet til nettverket med en harmonisk frekvens har en verdi som ikke avhenger av parametrene til forsyningsnettverket.

For trefasede elektriske nettverk er det karakteristisk å bruke trefasede fullbølgelikerettere for 6 ventiler som slike omformere, hvorfra de kalles sekspuls eller seksfase. Strømkurven for hver av fasene i dette tilfellet kan beskrives med ligningen (for strømmen til en fase A):

Det kan sees at fasestrømmene bare inneholder odde harmoniske som ikke er multipler av tre, og fortegnene til disse harmoniske veksler: positive harmoniske av 6k + 1. orden og negative harmoniske av 6k-1. orden.

Hvis det brukes en tolvfase likeretter, når et par seksfasede likerettere er koblet til et par trefasede transformatorer (sekundærspenningene faseforskyves med pi / 6), vil harmoniske på 12k + 1 og 12k- 1-ordrer vises hhv.

Før likerettere ble brukt var det kun transformatorer og ulike elektriske maskiner som var hovedkilden til høyere harmoniske i elektriske nettverk. Men selv i dag er transformatorer de vanligste elementene i elektriske nettverk.

Grunnen til at transformatorer genererer høyere harmoniske er den ikke-lineære magnetiseringskurven til de magnetiske kretsene og den konstante tilstedeværelsen av hystereseløkker… En ikke-lineær magnetiseringskurve og hysteresesløyfe genererer forvrengninger av den originale sinusformede magnetiseringsstrømmen uten belastning, og resultatet er høyere harmoniske i strømmen som transformatoren trekker fra nettet.

Transformatorer i 110 kV-klassen har ikke mer enn 1% tomgangsstrøm, og transformatorer i 6-10 kV-klassen - ikke mer enn 2-3%. Dette er små strømmer og deres aktive tap i magnetkretsen er ubetydelige. Det er magnetiseringskurven som betyr noe, ikke hysteresesløyfen.

Magnetiseringskurven er symmetrisk og det er ikke engang harmoniske i Fourier-seriens ekspansjon. Forvrengningen av magnetiseringsstrømmen er forårsaket av odde harmoniske, blant disse er multipler av tre. Den tredje harmoniske er spesielt uttalt, men den femte og syvende harmoniske er også de mest betydningsfulle.

EMF-overtoner og strømharmoniske er også karakteristiske for motorer, både synkron og asynkron… Disse harmoniske er forårsaket av de samme fenomenene som strømharmoniske generert av transformatorer – ikke-lineariteten til magnetiseringskurven til materialene som statoren og rotoren er laget av.

Frekvensspekteret til strømovertoner til elektriske motorer, som for transformatorer, inkluderer oddetallsharmoniske, blant dem åpenbart multipler av tre. De mest betydningsfulle her er 3., 5. og 7. harmoniske.

Som i tilfellet med transformatorer, lar grove beregninger oss ta prosentandelen av strømmene til 3., 5. og 7. harmoniske til 40 % for tredje harmoniske, 30 % for femte harmoniske og 20 % for syvende harmoniske (prosent av av tomgangsstrømmen).