Årsaker til utseendet til høyere harmoniske i moderne kraftsystemer

Det elektriske utstyret i den moderne verden blir mer og mer komplekst, spesielt for IT-teknologier. På grunn av denne trenden må kvalitetssikringssystemer for strøm oppfylle disse kravene: de må ganske enkelt enkelt håndtere svingninger, overspenninger, spenningsfall, støy, impulsstøy, etc., slik at industrinettet og tilhørende brukere skal kunne fungere normalt.

Nettspenningsomforming på grunn av harmoniske forårsaket av ikke-lineære belastninger er et av hovedproblemene som skal løses. I denne artikkelen vil vi se på de dyptgående aspektene ved dette problemet.

Hva er essensen av problemet

Hovedandelen av det nåværende kontorutstyret, datamaskiner, kontor, multimediautstyr er generelt ikke-lineære belastninger, som, koblet til det felles strømnettet i store mengder, forvrenger formen på nettverksspenningen.

Denne forvrengte spenningen oppfattes smertefullt av andre elektriske enheter og forstyrrer noen ganger betydelig deres normale drift: den forårsaker funksjonsfeil, overoppheting, bryter synkroniseringen, genererer interferens i dataoverføringsnettverk, — generelt kan ikke-sinusformet vekselspenning forårsake en hel rekke utstyr , prosesser og ulemper for mennesker, inkludert materiale.

Spenningsforvrengningen som sådan er beskrevet av et par koeffisienter: den sinusformede faktoren, som reflekterer forholdet mellom rms-verdien til de høyere harmoniske og rms-verdien til grunnharmonikken til nettverksspenningen, og lasttoppfaktoren, lik et forhold mellom toppstrømforbruket og den effektive laststrømmen.

Hvorfor er høyere harmoniske farlige?

Effektene forårsaket av manifestasjonen av høyere harmoniske kan deles i henhold til varigheten av eksponeringen i umiddelbar og langsiktig. Det er vanlig å nevne øyeblikkelig: forsyningsspenningsformforvrengning, distribusjonsnettets spenningsfall, harmoniske effekter inkludert harmonisk frekvensresonans, skadelig interferens i dataoverføringsnettverk, støy i det akustiske området, vibrasjon av maskineri. Langsiktige problemer inkluderer: overdreven varmetap i generatorer og transformatorer, overoppheting av kondensatorer og distribusjonsnettverk (ledninger).

Overtoner og linjespenningsform

Betydelige toppstrømmer i halvparten av nettverkets sinusbølge fører til en økning i toppfaktoren.Jo høyere og kortere toppstrømmen er, desto sterkere er forvrengningen, mens kamfaktoren avhenger av kraftkildens evner, av dens indre motstand - om den er i stand til å levere en slik toppstrøm. Noen kilder må overvurderes i forhold til merkeeffekten, for eksempel må spesielle viklinger brukes i generatorer.

Men avbruddsfri strømforsyning (UPS) takler dette problemet mye bedre: på grunn av den doble konverteringen er de i stand til å kontrollere laststrømmen når som helst og regulere den ved hjelp av PWM, noe som unngår problemer på grunn av den høye kamkoeffisienten til strømmen . Med andre ord er den høye toppfaktoren ikke et problem for en kvalitets-UPS.

Høyere harmoniske og spenningsfall

Som nevnt ovenfor håndterer UPS-er høye toppfaktorer godt og deres bølgeformforvrengning overstiger ikke 6 %. Koblingsledninger her spiller som regel ingen rolle, de er ganske korte. Men på grunn av overfloden av harmoniske i linjespenningen, vil strømbølgeformen avvike fra sinusformet, spesielt for odde høyfrekvente harmoniske introdusert av enfase- og trefaselikerettere (se figur).

Den komplekse impedansen til distribusjonsnettverket er vanligvis induktiv natur, derfor vil strømharmoniske i store mengder føre til betydelige spenningsfall på linjer 100 meter lange, og disse fallene kan overstige de tillatte, som et resultat av at spenningsformen på lasten vil bli forvrengt.

Som et eksempel, legg merke til hvordan utgangsstrømmen til en enfaset diodelikeretter endres ved forskjellige nettverksimpedanser, avhengig av motstanden til inngangsfilteret til en drevet enhet med en transformatorløs inngang, og hvordan dette påvirker spenningsbølgeformen.

Problemet med harmoniske multipler av den tredje

Tredje, niende, femtende osv. — de høyere harmoniske av nettstrømmen er preget av høye amplitudekoeffisienter. Disse harmoniske oppstår fra enfasebelastninger og deres effekt på trefasesystemer er ganske spesifikk. Hvis trefasesystemet er symmetrisk, strømmene forskyves fra hverandre med 120 grader, og den totale strømmen i nøytralledningen er null, — det er ikke noe spenningsfall over ledningen.

Dette er sant i teorien for de fleste harmoniske, men noen harmoniske er preget av rotasjon av strømvektoren i samme retning som strømvektoren til den grunnleggende harmoniske. Som et resultat, i nøytralen er de odde harmoniske som er multipler av den tredje overlagret på hverandre. Og siden disse harmoniske er i flertall, kan den totale nøytralstrømmen overstige fasestrømmene: si, fasestrømmer på 20 ampere vil gi en nøytral strøm med en frekvens på 150 Hz ved 30 ampere.

En kabel designet uten å ta hensyn til påvirkningen av harmoniske kan overopphetes fordi tverrsnittet ifølge tankene burde vært økt. Harmoniske multipler av den tredje er forskjøvet i en trefasekrets med 360 grader i forhold til hverandre.

Resonans, interferens, støy, vibrasjoner, oppvarming

Distribusjonsnett har fare for resonans ved høyere strøm- eller spenningsharmoniske, i disse tilfellene viser den harmoniske komponenten seg å være høyere enn grunnfrekvensen, noe som påvirker systemkomponenter og utstyr negativt.

Dataoverføringsnettverk lokalisert i nærheten av kraftledninger som strømmer med høyere harmoniske flyter gjennom er utsatt for forstyrrelser, informasjonssignalet i dem forringes, mens jo kortere avstanden fra linjen til nettverket er, jo større er lengden på forbindelsen deres, jo høyere er harmonisk frekvens — jo større er forvrengningsinformasjonssignalet.

Transformatorer og choker begynner å lage mer støy på grunn av høyere harmoniske, elektriske motorer opplever pulsasjoner i den magnetiske fluksen, noe som resulterer i dreiemomentvibrasjoner på akselen. Elektriske maskiner og transformatorer overopphetes og varmetap oppstår. I kondensatorer øker den dielektriske tapsvinkelen med en frekvens høyere enn nettet, og de begynner å overopphetes, dielektrisk sammenbrudd kan oppstå. Det er unødvendig å snakke om tapene i linjene på grunn av økningen i temperaturen deres ...