Източници на хармоници в електрическите мрежи

Тъй като нелинейните елементи неизменно присъстват в съвременните електрически, особено в промишлените мрежи, в резултат на това кривите на тока и кривите на напрежението се изкривяват, в мрежите се появяват по-високи хармоници.

На първо място, несинусоидалността се дължи на наличието на статични преобразуватели, след това-синхронни генератори, заваръчни машини, флуоресцентни лампи, дъгови пещи, трансформатори, двигатели и други нелинейни натоварвания.

Математически несинусоидалността на кривите на ток и напрежение може да бъде представена като сумата от главната хармоника на мрежовата честота и нейните по -високи хармоници, които са кратни на нея. Хармоничният анализ в резултат води до тригонометричен ред на Фурие, а стойностите на честотите и фазите на получените хармоници могат лесно да бъдат изчислени с помощта на формулата:

Всъщност получената комбинация от несинусоидални напрежения и токове в трифазна мрежа може да бъде асиметрична или симетрична. Симетрична система от несинусоидални напрежения за кратни на три хармоника (k = 3n) води до образуването на система от напрежения с нулева последователност.

Освен това, при k = 3n + 1, хармоникът в трифазната мрежа генерира симетрична система от напрежения с отрицателна последователност. Така че всеки k-хармоник на симетрична система от несинусоидални напрежения в резултат дава симетрична система от фазови напрежения на директна, обратна или нулева последователност.

На практика обаче системата от фазови несинусоидални напрежения се оказва асиметрична. Така, магнитни жила на трифазни трансформатори сами по себе си те са нелинейни и асиметрични, тъй като дължините на магнитните пътеки за средната и крайната фаза се различават 1,9 пъти. В резултат на това ефективните стойности на намагнитващите токове на средната фаза са 1,3 — 1,55 пъти по -малки от стойностите на намагнитващите токове за крайните фази.

Асиметричните хармоници се разлагат на симетрични компоненти, когато всеки k -хармоник образува асиметрична система от фазови напрежения и в типичните случаи съдържа компоненти от три последователности — нула, директна и обратна.

Трифазните мрежи с изолирана неутрала се характеризират с липсата на компоненти с нулева последователност във всяка от фазите, при условие че няма земни повреди. В резултат на това във фазовите токове няма кратни на три хармоника, но има други хармоници, които съдържат компоненти на обратната и положителната последователност.

Мощните токоизправители, като правило, от страната на постояннотока имат големи индуктивности, които са намотки на машината с постоянен ток и изглаждащи реактори. Тези индуктивности са многократно по -високи от еквивалентната индуктивност на променливотоковата страна, следователно такива токоизправители по отношение на променливотоковата мрежа се държат като източници на по -висок хармоничен ток. Токът, насочен към мрежата с хармонична честота, има стойност, която не зависи от параметрите на захранващата мрежа.

За трифазни електрически мрежи е характерно да се използват трифазни пълно вълнови токоизправители за 6 клапана като такива преобразуватели, от които те се наричат ​​шест-импулсни или шестфазни. Кривата на тока за всяка от фазите в този случай може да бъде описана с уравнението (за тока на една фаза А):

Може да се види, че фазовите токове съдържат само нечетни хармоници, които не са кратни на три, и знаците на тези хармоници се редуват: положителни хармоници от 6k + 1-ти ред и отрицателни хармоници от 6k-1-ти ред.

Ако се използва дванадесетфазен токоизправител, когато двойка шестфазни токоизправители е свързана към чифт трифазни трансформатори (вторичните напрежения са фазово изместени с pi / 6), тогава хармоници от 12k + 1 и 12k- Ще се появят съответно 1-поръчки.

Преди да се използват токоизправители, само трансформаторите и различни електрически машини бяха основният източник на по -високи хармоници в електрическите мрежи. Но дори и днес трансформаторите са най -често срещаните елементи на електрическите мрежи.

Причината, поради която трансформаторите генерират по-високи хармоници, е нелинейната крива на намагнитване на магнитните вериги и постоянното присъствие хистерезисни контури… Нелинейна магнетизираща крива и контур на хистерезис генерират изкривявания на оригиналния синусоидален магнетизиращ ток без товар и резултатът е по-високи хармоници в тока, който трансформаторът черпи от мрежата.

Трансформаторите от клас 110 kV имат не повече от 1% ток на празен ход, а трансформаторите от клас 6-10 kV-не повече от 2-3%. Това са малки токове и активните загуби от тях в магнитната верига са незначителни. Важна е кривата на намагнитване, а не веригата на хистерезис.

Кривата на намагнитване е симетрична и няма дори хармоници в разширението в ред на Фурие. Изкривяването на магнетизиращия ток се причинява от нечетни хармоници, сред които са кратни на три. Третата хармоника е особено изразена, но петата и седмата хармоници са и най -значимите.

Хармониците на ЕМП и хармониците на тока също са характерни за двигателите, както синхронни, така и асинхронни… Тези хармоници са причинени от същите явления като хармониците на тока, генерирани от трансформатори — нелинейността на кривата на намагнитване на материалите, от които са направени статора и ротора.

Честотният спектър на хармоници на тока на електродвигателите, подобно на този на трансформаторите, включва нечетни хармоници, сред които очевидно кратни на три. Най -значимите тук са 3 -ти, 5 -ти и 7 -ми хармоници.

Както в случая с трансформаторите, приблизителните изчисления ни позволяват да вземем процента на токовете на 3 -ти, 5 -ти и 7 -ми хармоници при 40% за третата хармоника, 30% за петата хармоника и 20% за седмата хармоника (процент от хода на тока на празен ход).