Причини за появата на по -високи хармоници в съвременните системи за захранване

Електрическото оборудване на съвременния свят става все по -сложно, особено за IT технологиите. Поради тази тенденция системите за осигуряване на качеството на електроенергията трябва да отговарят на тези изисквания: те просто трябва лесно да се справят с колебания, пренапрежения, спадове на напрежението, шум, импулсен шум и т.н., така че промишлената мрежа и свързаните с нея потребители да могат да функционират нормално .

Преоформянето на напрежението в мрежата поради хармоници, причинени от нелинейни натоварвания, е един от основните проблеми, които трябва да бъдат решени. В тази статия ще разгледаме задълбочените аспекти на този проблем.

Каква е същността на проблема

Основният дял от сегашното офис оборудване, компютрите, офиса, мултимедийното оборудване са като цяло нелинейни товари, които, свързани в общата захранваща мрежа в огромни количества, изкривяват формата на мрежовото напрежение.

Това изкривено напрежение се възприема болезнено от други електрически уреди и понякога значително нарушава нормалната им работа: причинява неизправности, прегряване, нарушава синхронизацията, генерира смущения в мрежите за предаване на данни, — като цяло несинусоидалното променливо напрежение може да причини цяло разнообразие от оборудване, процеси и неудобства за хората, включително материални.

Изкривяването на напрежението като такова се описва с двойка коефициенти: синусоидалният фактор, който отразява съотношението на ефективната стойност на по -високите хармоници към ефективната стойност на основната хармоника на мрежовото напрежение, и коефициента на гребена на товара, равен на съотношение на пиковото потребление на ток към ефективния ток на натоварване.

Защо по -високите хармоници са опасни

Ефектите, причинени от проявата на по-високи хармоници, могат да бъдат разделени според продължителността на експозицията на незабавни и дългосрочни. Обичайно е да се споменават моментните: изкривяване на формата на захранващото напрежение, спад на напрежението в разпределителната мрежа, ефекти от хармоници, включително резонанс на честотата на хармониците, вредни смущения в мрежите за предаване на данни, шум в акустичния диапазон, вибрации на машини. Дългосрочните проблеми включват: прекомерни топлинни загуби в генератори и трансформатори, прегряване на кондензатори и разпределителни мрежи (проводници).

Хармоници и форма на мрежово напрежение

Значителните пикови токове в половината от синусоидата на мрежата водят до увеличаване на фактора на гребена. Колкото по -висок и по -къс е пикът на тока, толкова по -силно е изкривяването, докато коефициентът на гребена зависи от възможностите на източника на захранване, от вътрешното му съпротивление — дали е в състояние да достави такъв пиков ток. Някои източници трябва да бъдат надценени по отношение на номиналната им мощност, например да се използват специални намотки в генераторите.

Но източниците на непрекъсваемо захранване (UPS) се справят с този проблем много по -добре: поради двойното преобразуване те са в състояние да контролират тока на натоварване във всеки един момент и да го регулират с помощта на ШИМ, което избягва проблеми поради високия коефициент на гребена на тока. С други думи, факторът с висок гребен не е проблем за качествения UPS.

По -високи хармоници и спад на напрежението

Както бе отбелязано по -горе, UPS -тата се справят добре с факторите с висок гребен и изкривяването на тяхната форма на вълната не надвишава 6%. Свързващите проводници тук по правило нямат значение, те са доста къси. Но поради изобилието от хармоници в мрежовото напрежение, формата на вълната на тока ще се отклони от синусоидалната, особено за нечетни високочестотни хармоници, въведени от еднофазни и трифазни токоизправители (виж фигурата).

Сложният импеданс на разпределителната мрежа обикновено е индуктивен характер, следователно, хармоници на токове в големи количества ще доведат до значителни спадове на напрежението по линии с дължина 100 метра и тези падания могат да надхвърлят допустимите, в резултат на което формата на напрежение върху товара ще бъде изкривена.

Като пример, обърнете внимание как токът на изхода на еднофазен диоден токоизправител се променя при различни импеданси на мрежата, в зависимост от съпротивлението на входния филтър на захранвано устройство с безтрансформаторен вход и как това влияе върху формата на вълната на напрежението.

Проблемът за хармониците, кратни на третия

Трети, девети, петнадесети и т.н. — по -високите хармоници на мрежовия ток се отличават с високи амплитудни коефициенти. Тези хармоници възникват от еднофазни натоварвания и ефектът им върху трифазните системи е доста специфичен. Ако трифазната система е симетрична, токовете се изместват помежду си със 120 градуса, а общият ток в неутралния проводник е нула, — няма спад на напрежението върху проводника.

Това е вярно на теория за повечето хармоници, но някои хармоници се характеризират с въртене на токовия вектор в същата посока като текущия вектор на основната хармоника. В резултат на това в неутралните нечетни хармоници, които са кратни на третата, се наслагват една върху друга. И тъй като тези хармоници са в мнозинството, общият неутрален ток може да надвиши фазовите токове: да речем, фазовите токове от 20 ампера ще дадат неутрален ток с честота 150 Hz при 30 ампера.

Кабел, проектиран без да се отчита влиянието на хармониците, може да прегрее, тъй като според ума сечението му е трябвало да се увеличи. Хармоничните кратни на третия се изместват в трифазна верига на 360 градуса един спрямо друг.

Резонанс, смущения, шум, вибрации, нагряване

Разпределителните мрежи имат опасност от резонанс при по -високи хармоници на ток или напрежение, в тези случаи компонентът на хармоника се оказва по -висок от основната честота, което се отразява негативно на компонентите на системата и оборудването.

Мрежите за предаване на данни, разположени в близост до електропроводи, през които протичат токове с по -високи хармоници, са обект на смущения, информационният сигнал в тях се влошава, докато колкото по -кратко е разстоянието от линията до мрежата, толкова по -голяма е дължината на съединението им, толкова по -висока е хармониката честота — толкова по -голям е информационен сигнал за изкривяване.

Трансформаторите и дроселите започват да вдигат повече шум поради по -високи хармоници, електрическите двигатели изпитват пулсации на магнитния поток, което води до вибрации на въртящия момент върху вала. Електрическите машини и трансформаторите прегряват и възникват топлинни загуби. В кондензаторите ъгълът на диелектричните загуби се увеличава с честота, по -висока от мрежата, и те започват да се прегряват, може да настъпи диелектричен срив. Излишно е да се говори за загубите в линиите поради повишаването на температурата им …