Токи высших гармоник: Влияние гармоник напряжения и тока

Расплата за невнимание

Гармоническая составляющая высшего порядка: как ценовой фактор и источники помех в сети

Энергетические сети являются аортами промышленности, однако над их надежностью редко задумываются. Зачастую предприятия знают только одну сторону: либо ток есть, либо его нет. Едва ли кто-нибудь задается вопросом, насколько действительно хорошо качество сети. При ближайшем рассмотрении, однако, оказывается, к каким тяжелым последствиям в работе приводит такая вещь, как высшая гармоника. С представленными здесь помехоподавляющими фильтрами предприятия сейчас разработали действенное средство против гармонической составляющей высшего порядка.

Электрическая энергия используется повсеместно и в большом количестве. Правда, ответа на вопрос о качестве энергетических сетей все еще нет. Либо оборудование выходит из строя все еще редко и без видимых эксплуатационных причин, либо оно удивляет своими сбоями в работе и ложными запусками.

Один точный анализ сети является весьма показательным.

Чистое синусоидальное напряжение: редко

Симметричное, чистое синусоидальное напряжение, для которого рассчитывается оборудование, редко в перегруженных современной электроникой сетях переменного тока. Высшие гармоники искажают синусоидальные волны. Они появляются в сетях энергопоставщиков в течение многих лет и имеют возрастающую тенденцию. К тому же причины гармонической составляющей высшего порядка очень разнообразны. Одними из первых были ртутные выпрямители, введенные в действие для преобразования переменного тока в постоянный для электровозов и моторов постоянного тока с регулируемым числом оборотов в промышленности. Сегодня на промышленных предприятиях прежде всего присутствуют моторы с регулируемым числом оборотов, мощное USV (системы бесперебойного питания) оборудование, компьютеры, газоразрядные лампы и силовая полуприводная техника с выпрямительными мостами В 6 (шестифазный диодный мост), которые перегружают сети высшими гармониками.

Как распознать проблемные места

Гармоническая составляющая высшего порядка дает о себе знать в энергетических сетях совершенно разнообразными способами. Некоторые, как, например, вибрация и развитие помех, можно принять за досадные проявления, они не причиняют существенный вред функциям оборудования и машинам. Но если в напряжении питания индукционного электродвигателя присутствуют высшие гармоники, это становится причиной возникновения составляющих на частотах высших гармоник в магнитном потоке. Они, в свою очередь, способствуют наведению гармоник ЭДС, в результате чего на обмотках ротора возникают высшие гармоники тока. Последние взаимодействуют с магнитным потоком, при этом создавая на валу электромашины дополнительные механические моменты. Все это ведет к тому, что на валу двигателя происходят гармонические пульсации вращающего момента. Кроме того, возможны и экстремальные случаи, когда процесс вибрации возникает на резонансной частоте вращающейся массы ротора, что может привести к разрыву вала последнего.

Гармонические составляющие могут быть опасны для конструкции электромашин. Так, некоторые пары гармоник (например, 5 и 7) становятся причиной механических колебаний, частота которых равна 6-ой гармонике в двигателе либо генераторе. Подобные колебания возникают вследствие искажения кривой напряжения питания и сопутствующих колебаний вращающего момента.

Если частота таких колебаний будет равной частоте механического резонанса, то конструкция электрической машины подвергается перегрузкам.

Также из-за высоких частот гармонических составляющих электрического тока значительно усиливается шум в процессе работы оборудования, что является результатом магнитострикции. Токи, которые были искажены высшими гармониками, могут привести и к интенсивному нагреванию кабелей и проводов. А как результат этого – возникновение эффекта близости и поверхностного эффекта.

Еще одним способом проявления высшей гармоники является перекрестная модуляция. В проводах коммуникаций и в электронных схемах это может привести к сбою в работе или выходу из строя.

Перегрев трансформаторов, моторов и конденсаторов часто также происходит из-за высшей гармонической составляющей тока. Очевидно, что сокращение продолжительности эксплуатации оборудования приводит, как следствие, к затратам.

В добавок из-за высшей гармонической составляющей тока увеличиваются затраты на энергию. В сильно перегруженных сетях в нулевом проводе могут суммироваться потоки высшей гармоники вплоть до 300% общего тока. При вычислении можно легко вывести, что потоки гармонической составляющей высшего порядка имеют долю активного тока. На практике присутствие доли активного тока можно также просто доказать. Первые исходные данные уже показывает измерение температуры на нулевом проводе. Согласно теории только минимальный переходный ток течет по нулевому проводу. В многочисленном промышленном оборудовании нулевые провода нагреваются, что является верным признаком наличия потоков гармонической составляющей.

Так образуется гармоническая составляющая высшего порядка

Выпрямители тока, преобразователи частоты, USV-оборудование и электронные блоки питания сегодня присутствуют в большом количестве во всех энергетических сетях как потребитель электроэнергии. Ток, который они отнимают, является не синусоидальным, а пульсирующим. Одна из причин этого лежит в ударном заряде сглаживающего конденсатора в подобных приборах. Современные промышленные предприятия зачастую используют нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками. К оборудованию подобного рода относятся: установки дуговой и контактной сварки, тиристорные преобразователи, газоразрядные лампы, руднотермические и электродуговые сталеплавильные печи и т.д. Для питания они используют ток, кривая которого несинусоидальная, в результате чего возникают такие же (несинусоидальные) режимы либо нелинейные искажения кривой напряжения сети. Несинусоидальные режимы оказывают неблагоприятное воздействие на работу силового электрооборудования, а также системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи.

Экономический ущерб, который является результатом такого влияния, обусловлен, прежде всего, падением надежности функционирования электросетей, ухудшением энергетических показателей и значительным сокращением срока эксплуатации электрического оборудования.

Проблема несинусоидальности сводится к решению ряда вопросов. Среди них:

• снижение уровня высших гармоник;
• оценка совместимости (электромагнитной) источников высших гармоник тока и прочих нагрузок;
• количественная оценка высших гармоник, которые генерируются разнообразными нагрузками нелинейного типа, и прогнозирование значений напряжения и высших гармоник в электросети.

Как известно, любая несинусоидальная периодическая функция f(t) с периодом 2, которая удовлетворяет условию Дирихле, может быть представлена как сумма постоянной величины и ряда синусоидальных величин с кратной частотой. Данные синусоидальные составляющие и именуются как гармоники.

Если период синусоидальной составляющей равен периоду несинусоидальной, то такая составляющая называется гармоникой. В остальных случаях мы имеем дело с высшими гармониками.

Потоки высшей гармоники в сеть являются неизбежной причиной обратного действия. Хотя соответствующие национальные и международные положения, такие как DIN EN 61000-3-2, DIN EN 61000-3-12, IEEE 519-1992 и ГОСТ 13109-97, устанавливают предельное значение для потоков высшей гармоники, но на производственной практике мы до сих пор встречаемся только с пренебрежением к этой проблеме.

Для надежного энергоснабжения в промышленности с ее преобладающими трехфазными электроприемниками особенно большое значение приобретает богатая энергией пятая гармоническая составляющая высшего порядка в 250 Гц и седьмая гармоническая составляющая высшего порядка в 350 Гц.

Трехфазные нагрузки, как, например, оборудование с непостоянным числом оборотов, а также большое USV-оборудование, располагают трехфазной мостовой схемой (шестипульсовый мост). Порядок гармонической составляющей зависит от числа пульсов выпрямителя тока. При одной шестипульсовой мостовой схеме это означает, что конечный порядок гармонической составляющей равняется v=k*p… 1. Т.е. при трехфазной мостовой схеме появляются гармонические составляющие пятого, седьмого, одиннадцатого, тринадцатого и т.д. порядка. Третья гармоническая составляющая, как правило, исходит только от однофазных потребителей электроэнергии, как, например, компьютер или монитор в административных зданиях, и в промышленном использовании играет второстепенную роль.

Влияние высших гармоник на работу электрооборудования

Наличие высших гармоник в системах электроснабжения различных предприятий – нежелательное явление. Связано это с тем, что в процессе производства возрастают дополнительные потери в трансформаторах, электрических машинах и сетях; происходит затруднение компенсации реактивной мощности при помощи батарей конденсаторов; значительно сокращается срок эксплуатации аппаратов и электрических машин; замедляется и ухудшается работа аппаратов и устройств телемеханики, автоматики и связи. В процессе работы асинхронного двигателя при условии напряжения несинусоидального типа снижается коэффициент мощности последнего и одновременно вращающийся момент на валу. Кроме того, искажение формы кривой напряжения становится причиной и для возникновения ионизационных процессов, протекающих в изоляции электромашин и трансформаторов. Если в изоляции присутствуют газовые включения, то ионизации не избежать. Сущность данного процесса заключается, прежде всего, в образовании объемных зарядов и последующей их нейтрализации. Что касается нейтрализации зарядов, то ее возникновение связано с рассеиванием энергии, результат которого – механическое, химическое, электрическое воздействие на диэлектрик. Все это приводит к дефектам в изоляции (уменьшение ее электропрочности, рост диэлектрических потерь и пр.). Наибольшее влияние оказывают высшие гармоники на батареи конденсаторов. Как известно, многие конденсаторы, которые работают при несинусоидальном напряжении из-за вспучиваний и взрывов быстро выходят из строя.

Причина тому – перегрузка токами высших гармоник. Она возникает, когда в сети на частоте одной из гармоник возникает резонансный режим. По всем соответствиям с ГОСТ батареи конденсаторов работают при перегрузках токами высших гармоник лишь на 30%; а длительное использование конденсаторов в таких условиях сокращает срок службы оборудования. Несинусоидальный режим сети приводит к ускорению процессов старения изоляции силовых кабелей. Как показали исследования, при синусоидальном режиме и с высшими гармониками токи утечки во втором случае значительно больше (через 2,5 года – на 36%, через 3,5 года — на 43% ).

Стоит отметить также, что высшие гармоники напряжения и тока влияют и на погрешности, которые могут возникать у электроизмерительных приборов. Например, индукционные счетчики реактивной и активной энергии при работе с несинусоидальным напряжением имеют большую погрешность, которая достигает 10%. Высшие гармоники затрудняют и во многих случаях делают невозможным эксплуатацию силовых цепей, которые выступают в качестве каналов, необходимых для передачи информации. Они также отрицательно сказываются на работе телемеханических устройств и даже способны вызывать сбои в процессе их работы. Это особенно актуально, если как каналы связи между полукомплектами контролируемых пунктов используются силовые цепи. Для работы вентильных преобразователей несинусоидальная форма кривой напряжения также неблагоприятна, т.к. ухудшает качество выпрямления тока.

Потери электроэнергии – это скрытые затраты

В каждом электрическом приборе прохождение тока и процесс перемагничивания влечет за собой потери электроэнергии. При определении размеров проводов, трансформаторов и приводов это учитывается, соответствующие компоненты рассчитываются. Энергетические затраты на эти потери должны быть приняты, т.к. современная техника еще не совсем позволяет их избежать.

Гармоническая составляющая высшего порядка, тем не менее, генерирует дополнительные потери, такие как повышенные потери в меди и железе в трансформаторах и повышенные потери мощности. Если просуммировать эти потери на предприятии, отсюда получатся затраты, которые могут составить дополнительные расходы в размере 5% от ежегодного счета за электроэнергию.

До сих пор этим затратам на энергию уделялось мало внимания. Недостаточные знания и слабая измерительная техника являются основными причинами. Современные же анализаторы сетей заботятся о необходимой прозрачности. С их помощью можно легко определить источники помех, выявить путь распространения потоков и разработать базу для выбора помехоподавляющего фильтра (фильтра, подавляющего высшую гармонику) оптимальных параметров. Немецкая компания BLOCK (Block-Transformatoren-Electronik, Gmbh) оказывает помощь своим клиентам по всей Европе в квалифицированном анализе сетей и в определении параметров помехоподавляющего фильтра, а также является ведущим европейским производителем помехоподавляющего оборудования.

Эффективная защита сети при помощи фильтра

Для того чтобы эффективно защитить сети от гармонической составляющей высшего порядка, до сих пор промышленность предлагала использовать дроссель или активные фильтры. Оба способа позволяли сократить высшую гармонику. Конечно, оба способа имеют определенные недостатки. Результаты фильтрации не всегда удовлетворительные. С активными фильтрами удалось почти полностью устранить гармоническую составляющую, только вот технические издержки и цена, которыми достигался такой результат, были очень высоки.

Компания BLOCK со своими помехоподавляющими фильтрами проложила третий путь между дросселированием и активными фильтрами. По мере своего развития компания сначала просто сконцентрировалась на фильтрах для промышленного использования, главным образом, на пятой и седьмой гармонической составляющей. Помехоподавляющие фильтры позволили описать составные части гармонических составляющих с помощью значения THD (полное искажение гармонической составляющей) для всех преобразователей частоты и схем промежуточных контуров с входным мостом B6.

Модуль фильтра: свободное устанавливаемые

В зависимости от расчетов фильтры могут быть установлены либо напрямую на генератор гармонической составляющей, либо как дополнительный фильтр в распределительный щит низкого напряжения. Обычно они подсоединяются напрямую к устройству и на основании характеристик гармонической составляющей настраиваются. К тому же расчет параметров фильтра, который будет устанавливаться напрямую на источник помех, очень прост. Модули помехоподавляющего фильтра могут приблизительно измерить мощность источника помех. Для оптимального расчета параметров фильтра компания BlOCK использует специальные анализаторы сетей. По требуемой величине значения THD можно свободно определить параметры фильтров.

Выпускаемая линейка оборудования охватывает помехоподавляющие фильтры от 4 до 800 кВт. Фильтры большей мощности могут быть реализованы просто через параллельное подключение.  

На основании точной технологии расчета и применения высококачественных компонентов потери системы с фильтрами минимальны. При сравнении промышленных сетей с фильтрами и без, быстрее приносят положительный результат модули с фильтрами высшей гармоники. Фильтры BlOCK не требуют обслуживания, просты и недороги в установке. Они обеспечивают безопасность работы. Практические знания подтверждают незначительные капиталовложения, такие как выход из строя оборудования и сбои в отключении из-за гармонической составляющей. Дополнительные тепловые нагрузки от трансформаторов и проводов минимизируются помехоподавляющими фильтрами. Это оборудование надежно предотвращает досрочное старение электрических и электронных элементов и установок. Новые установки не нуждаются в каких-либо затратоемких расчетах с повышенным запасом прочности.

Всю интересующую информацию о возможности приобретения и установки помехоподавляющих фильтров компании BLOCK на территории Российской Федерации, а также консультацию по другим линейкам оборудования этой компании Вы можете получить, обратившись в компанию ООО «МИГ Электро». Квалифицированные специалисты компании «МИГ Электро» окажут Вам помощь на всех этапах реализации проекта по защите Вашего оборудования от помех: оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок; количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками; выработка рекомендаций по снижению уровней высших гармоник; поставка, установка, подключение и тестирование помехоподавляющего оборудования.

При подготовке статьи использовались материалы:

1. Статья для журнала KEM, автор Michael Klusmann
2. ГОСТ 13109-97
3. Федеральный закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств» от 01.12.1999г. 
   

Гармоники, влияние на работу электрооборудования

Наиболее распространенное оборудование которое генерирует высшие гармоники тока в сетях, являются:
1. Статические преобразователи (выпрямители, инверторы), тиристорные пускатели, импульсные источники питания и т.д.
2. Газоразрядные осветительные устройства.
3. Электродуговые печи.
4. Сварочные аппараты.
5. Устройства имеющие в своем составе элементы с насыщающимися электромагнитными элементами.
6. Электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения.
7. Компьютерная сеть.

В электрических двигателях возникающие гармонические составляющие переменного напряжения и тока приводят к появлению дополнительных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в металлической конструкции в стали статора и ротора. Из-за появления вихревых токов и поверхностного эффекта, потери в проводниках статора и ротора больше, чем определяемые омическим сопротивлением. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям.
Результатом этого является повышение общей температуры машин и местные перегревы, которые наиболее вероятны в роторах, что может привести к серьезным последствиям. Также следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора.
В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь на гистерезис, потери, связанные с вихревыми токами в стали, и потери в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного трансформатора, так как наличие фильтра, присоединенного обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоник тока в трансформаторе. Кроме того, могут наблюдаться локальные перегревы трансформаторного бака.
В батареях конденсаторов гармоники тока также приводят к добавочным потерям энергии. Вследствие этого происходит дополнительный нагрев конденсатора, который может привести к выходу последнего из строя. Также возможно повреждение конденсатора при возникновении гармонических резонансов в сети.
Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Наиболее распространенными являются ложные срабатывания, которые наиболее вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений.
Влияние гармоник на индукционные приборы измерения мощности и учета электроэнергии приводит к увеличению погрешности результатов их измерений.
Также следует отметить влияние гармоник, возникающих в силовых цепях, на сигналы в линиях связи (в частности, в телефонных линиях). Малый уровень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой информации теряется, в исключительных случаях связь становится вообще невозможной.
Для фильтрации высших гармоник используются однофазные и трехфазные дроссели VMteс. Они изготавливаются из специально отобранной трансформаторной жести по технологии плоских или круглых медных проводов. Долгий срок службы и высокая электрическая прочность достигаются путем вакуумной сушки и пропитки. Дроссели поставляются с соединительными клеммами. В зависимости от номинальной мощности предлагаются дроссели с боковыми выводами или гибкими тепловой стойки проводами.
Нагрузка высшими гармониками при 100% продолжительности включения:
U3 = 0,5%Uном;
U55 = 6,0%Uном;
U7 = 5,0%Uном;
U11 = 3,5%Uном;
U13 = 3,0%Uном;

Активный фильтр высших гармоник токов трехфазной сети

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретно к силовым электронным преобразователем, и может быть использовано в качестве устройства компенсации гармонических искажений токов трехфазной сети.

Известно устройство компенсации искажений тока и реактивной мощности, содержащее силовую часть и систему контроля и управления, при этом в силовую часть входит преобразователь постоянного тока в переменный, выполненный на основе IGBT-инвертора, с накопителем энергии в виде конденсатора, включенного на стороне постоянного тока преобразователя, и интегрирующий фильтр, связанный с выводами переменного тока упомянутого преобразователя и включенный через блок защиты и мягкого пуска (БЗМП) в сеть, а система контроля и управления содержит первый и второй датчики тока, блок ШИМ, в котором имеется широтно-импульсный модулятор (ШИМ), датчик напряжения, первый, второй и третий блоки аналого-цифрового преобразования (блоки АЦП), блок цифровой обработки, блок цифроаналогового преобразования (блок ЦАП). (Богачев B.C., Устройство компенсации искажений тока и реактивной мощности. Патент РФ №2393609, МПК H02J 3/18, опубл. 27.06.2010).

Данное устройство имеет сложную структуру, низкую надежность системы управления силовыми ключами, низкое быстродействие системы управления, наличие интегрирующего фильтра увеличивает массу и габариты.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является активный фильтр, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенного выходами с сетью через фазные реакторы, емкостного накопителя на стороне постоянного тока, дополнительного полумостового инвертора на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, соединенный параллельно с трехфазным мостовым инвертором на стороне постоянного тока и выходом подключенный к нулевой линии сети, и системы управления, реализованной на микропроцессоре (Лоскутов А.Б., Алтунин Б.Ю., Карнавский И.А., Кралин А.А. Активный фильтр. Патент РФ №131916, МПК H02J 3/16, H02J 3/18, H02J 3/26 опубл. 27.08.2013).

Данный активный фильтр имеет дополнительное плечо инвертора на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, что усложняет устройство, повышает стоимость реализации фильтра. Наличие фазных реакторов увеличивает массу и габариты.

В последние годы большое внимание уделяется устройствам с активной фильтрацией. В таких устройствах существуют проблемы совмещения нескольких функций: компенсация несинусоидальности токов нелинейной нагрузки и реактивной мощности, обеспечение малой массы и габаритов.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в создании активного фильтра высших гармоник токов трехфазной сети, компенсирующего несинусоидальность токов базовой нелинейной нагрузки и ее реактивную мощность, имеющего малые массогабаритные показатели.

Технический результат достигается тем, что в активный фильтр высших гармоник токов трехфазной сети, состоящий из трехфазного мостового инвертора напряжения на полностью управляемых полупроводниковых ключевых элементах со встречно-параллельными диодами, дросселей входного фильтра, конденсатора на стороне постоянного тока, системы управления, трех датчиков напряжения, трех датчиков токов нагрузки, трех датчиков токов активного фильтра, датчика напряжения на конденсаторе в цепи постоянного тока, введены второй конденсатор на стороне постоянного тока, пятый датчик напряжения и седьмой датчик тока, первый-третий входные зажимы соединены с базовой цепью, содержащей нелинейную нагрузку, через последовательно соединенные первый-третий датчики тока, а также со средними точками первого-третьего плеч через последовательно соединенные первый-третий дроссели и четвертый-шестой датчики тока соответственно, первый зажим первого конденсатора соединен с плюсовой шиной мостовой схемы и с первым зажимом собственного потребителя через седьмой датчик тока, первый зажим второго конденсатора соединен с минусовой шиной мостовой схемы и со вторым зажимом собственного потребителя, вторые зажимы конденсаторов подключены к общему проводу, третий-пятый датчики напряжения подключены между первым-третьим входными зажимами соответственно и общим проводом, первый-второй датчики напряжения подключены между первым и вторым зажимами первого и второго конденсаторов соответственно, выходы первого-пятого датчиков напряжения и первого-седьмого датчиков тока соединены с входами первого-третьего блоков системы управления, а их выходы соединены с управляющими входами первого-шестого транзисторов, причем блоки системы управления выполнены с возможностью реализации законов формирования относительной длительности импульсов для фаз A, B, C:

где индекс D=A, B, C; u₀ — суммарное выходное напряжение; u_D, i_D — напряжение и ток фазы; u_S — падение напряжения на открытом полупроводниковом ключевом элементе, u₂ — напряжение второго конденсатора; L — индуктивность дросселя; k_P — постоянный коэффициент; — требуемое значение тока фазы, i_DH — значение тока высших гармоник, i_DQ — значение тока, компенсирующего реактивную мощность.

Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1, где

Фиг. 1 — схема активного фильтра.

На Фиг. 1 активный фильтр содержит IGBT-транзисторы 1-6 и диоды 7-12, образующие шесть силовых ключей, конденсаторы 13, 14, дроссели 15-17, датчики напряжения 18-22, датчики тока 23-29, входные зажимы A, B, C, собственный потребитель 30, генератор пилообразного напряжения 31, блоки системы управления 32-34.

IGBT-транзисторы 1-6 вместе с обратными диодами 7-12 соединены в мостовую схему. Входные зажимы A, B, C соединены с базовой цепью, содержащей нелинейную нагрузку, через датчики тока 23-25, а также со средними точками трех плеч через дроссели 15-17 и датчики тока 26-28. Датчики напряжения 20-22 подключены между зажимами A, B, C соответственно и общим проводом. Конденсаторы 13, 14 и датчики напряжения 18, 19 подключены между плюсовой и минусовой шиной мостовой схемы соответственно и общей точкой. Датчик тока 29 подключен между первым зажимом конденсатора 13 и первым зажимом собственного потребителя 30. Выходы датчиков напряжения 18-22 и датчиков тока 23-29 соединены с входами блоков системы управления 32-34.

Активный фильтр работает следующим образом. На входные зажимы A, B, C подается трехфазная система напряжений. Датчики напряжения 20-22 вырабатывают соответствующие этим напряжениям сигналы. Датчики напряжения 18, 19 вырабатывают сигналы, соответствующие напряжениям на конденсаторах 13, 14. Эти сигналы поступают на блоки управления, где сравниваются с требуемыми значениями. Блоки управления формируют внутренние сигналы управления u_c1, u_c2. В зависимости от полярности напряжений u_A, u_B, u_C формируются мгновенные значения токов, которые обеспечивают требуемое значение напряжений на выходных конденсаторах:

Датчики тока 23-25 вырабатывают сигналы, пропорциональные токам нелинейной нагрузки. Эти сигналы полаются на блоки управления, где происходит выделение сигналов, пропорциональных токам высших гармоник j_AH, j_BH, j_CH и токам первых гармоник j_A1, j_B1, j_C1.

Для компенсации реактивной мощности в блоках управления формируются токи j_AQ, j_BQ, j_CQ, определяющиеся следующим образом:

где u_AB, u_BC, u_CA — мгновенные значения линейных напряжений фаз A, B, C, U_AB, U_BC, U_CA — действующие значения линейных напряжений фаз A, B, C.

Далее сигналы j_AH, j_BH, j_CH, j_AQ, j_BQ, j_CO вычитаются из токов Формируются мгновенные значения требуемых токов фильтра:

Эти значения токов сравниваются с истинными значениями фазных токов j_A, j_B, j_C, которые поступают от датчиков тока 26-28, и вырабатываются широтно-модулированные импульсы, поступающие на управляющие входы IGBT-транзисторов (см. формулу (1)).

Генерируются токи, соответствующие токам высших гармоник базовой нелинейной цепи с обратным знаком, происходит компенсация высших гармонических искажений токов, потребляемых из трехфазной сети. В результате потребляемые из сети суммарные токи нелинейной нагрузки и активного фильтра имеют форму, близкую к синусоидальной. Входные дроссели имеют малую индуктивность, так как предназначены для фильтрации входных токов от пульсаций на частоте ШИМ (десятки килогерц). Выходные конденсаторы имеют малую емкость, так как предназначены для фильтрации выходных напряжений от пульсаций на частоте ШИМ.

Сигналы u_c1, u_c2, входящие в выражения (2)-(4), могут быть сформированы согласно принципу комбинированного управления:

Таким образом, путем введения конденсатора, датчика напряжения, датчика тока, а также реализации блоков системы управления согласно принципам комбинированного управления, получен активный фильтр высших гармоник токов, компенсирующий гармонические искажения базовой нелинейной цепи, имеющий малые массогабаритные показатели, кроме того с возможностью использования в качестве выпрямителя со стабилизированным напряжением для собственного потребителя. В качестве собственного потребителя могут выступать аккумуляторная батарея, элементы релейной защиты и информационная электроника.

Current Harmonic — обзор

7.5.1 Гармонические токи

Гармонические токи генерируются входным выпрямителем переменного тока. привод показан на рис. 7.8. Электропитание выпрямляется диодным мостом, и возникающий постоянный ток. напряжение сглаживается постоянным током. соединительный конденсатор, а для приводов с номинальной мощностью более 2,2 кВт — постоянного тока. ток сглаживается индуктором в постоянном токе. схема. Постоянный ток Затем напряжение прерывается в каскаде инвертора, который использует ШИМ для создания синусоидального выходного напряжения с регулируемым напряжением и частотой.

Хотя малые приводы могут иметь однофазное питание, мы рассмотрим трехфазное питание. Из рис. 7.13 видно, что ток течет в выпрямитель в виде серии импульсов, которые возникают всякий раз, когда напряжение питания превышает постоянное напряжение. ссылка, когда диоды начинают проводить. Амплитуда этих импульсов намного больше основной составляющей, которая показана пунктирной линией.

Рис. 7.13. Типичный ток от электросети для трехфазного привода мощностью 1,5 кВт.

На рис. 7.14 показан спектральный анализ формы сигнала тока на рис. 7.13.

Рис. 7.14. Гармонический спектр формы сигнала тока показан на рис. 7.13.

Обратите внимание, что все токи, показанные в спектрах, состоят из линий, кратных частоте сети 50 Гц. Поскольку форма волны симметрична в положительном и отрицательном полупериодах, помимо недостатков, гармоники четного порядка присутствуют только на очень низком уровне. Гармоники нечетного порядка довольно высоки, но они уменьшаются с увеличением номера гармоники.Для трехфазного входного моста нет тройных (трехчастотных) гармоник, а для 25-й гармоники уровень незначителен. Частота этой гармоники для источника питания 50 Гц составляет 1250 Гц, что находится в области звуковых частот электромагнитного спектра и значительно ниже радиочастотной части, которая, как обычно считается, начинается с 150 кГц. Это важно, поскольку показывает, что гармоники питания представляют собой низкочастотные эффекты, которые сильно отличаются от эффектов радиочастотной электромагнитной совместимости (ЭМС).Они нечувствительны к мелким деталям компоновки и экранирования цепей, и для любых корректирующих мер, которые требуются, используются традиционные методы электроэнергетики, такие как настроенные конденсаторы коэффициента мощности и фазосдвигающие трансформаторы. Это не следует путать с различными методами, используемыми для контроля радиочастотных помех от устройств с быстрым переключением, искрения электрических контактов и т. Д. — всех вопросов, которые относятся к «высокочастотному миру», упомянутому в разделе 7.4.2.

Фактические величины гармоник тока зависят от детальной конструкции привода, в частности, от значений d.c. емкость звена и, если используется, постоянный ток. индуктивность линии, а также полное сопротивление системы электроснабжения, к которой она подключена, и других нелинейных нагрузок в системе.

Мы должны прояснить, что промышленные проблемы, связанные с гармониками, необычны, хотя с постоянным увеличением использования электронного оборудования они станут более распространенными в будущем. Проблемы чаще всего возникали в офисных зданиях с очень высокой плотностью персональных компьютеров и в тех случаях, когда большая часть мощности питания используется электронным оборудованием, таким как приводы, преобразователи и ИБП.

Как правило, если общая нагрузка выпрямителя (т. Е. Приводы, ИБП, ПК и т. Д.) В энергосистеме составляет менее 20% от ее допустимой токовой нагрузки, то гармоники вряд ли будут ограничивающим фактором. Во многих промышленных установках мощность источника питания значительно превышает установленную нагрузку, и большая часть нагрузки, такая как неконтролируемые (прямые) асинхронные двигатели и резистивные нагревательные элементы, генерируют минимальные гармоники.

Если нагрузка выпрямителя превышает 20%, то должен существовать план управления гармониками.Для этого требуется некоторый опыт, и часто можно получить рекомендации от поставщиков оборудования. Хорошая новость заключается в том, что, если считается, что проблема будет существовать с расчетным уровнем гармоник, тогда существует ряд доступных опций для уменьшения искажений до приемлемых уровней.

Приводы

переменного тока мощностью более 2,2 кВт, как правило, проектируются с индуктивностью, встроенной в постоянный ток. ссылка и / или переменный ток входная цепь. Это дает гораздо лучшую форму сигнала тока питания и его значительно улучшенный спектр, как показано на рис.7.15 и 7.16 соответственно, которые опять же для привода мощностью 1,5 кВт для простоты сравнения с предыдущими иллюстрациями. (В этом случае индуктивность в каждой линии указывается как «2%», что означает, что когда в линии протекает номинальный основной ток, падение напряжения на катушке индуктивности равно 2% от напряжения питания.) Обратите внимание на изменение вертикальной шкалы между рис. 7.13 и 7.15, которые могут скрывать тот факт, что импульсы тока теперь достигают примерно 5 А, а не 17 А или около того ранее, но основной компонент остается на уровне 4 А, потому что нагрузка такая же.(Помните, что, хотя мы только что продемонстрировали огромное улучшение гармоник питания, достигаемое за счет добавления индуктивности звена постоянного тока к приводу мощностью 1,5 кВт, стандартные приводы редко производятся с какой-либо индуктивностью, потому что, хотя спектр гармоник выглядит тревожным, токи очень низкие. уровень, что они редко вызовут практические проблемы.)

Рис. 7.15. Форма кривой тока электросети для трехфазного привода мощностью 1,5 кВт с постоянным током и 2% перем. индукторы.

Рис. 7.16. Гармонический спектр улучшенной формы волны тока, показанной на рис.7.15.

В стандартных трехфазных приводах мощностью до 200 кВт обычно используются 6-пульсные выпрямители. При более высоких мощностях может потребоваться увеличить количество импульсов для улучшения формы сигнала на стороне питания, и для этого требуется специальный трансформатор с двумя отдельными вторичными обмотками, как показано для 12-импульсного выпрямителя на рис. 7.17.

Рис. 7.17. Базовая схема 12-пульсного выпрямителя.

Напряжения во вторичных обмотках звезды и треугольника трансформатора имеют одинаковую величину, но с относительным фазовым сдвигом 30 °.Каждая обмотка имеет собственный набор из шести диодов, каждый из которых выдает шестипульсное выходное напряжение. Два выхода обычно подключаются параллельно, и из-за фазового сдвига результирующее напряжение состоит из двенадцати импульсов под углом 30 ° за цикл, а не из шести импульсов под углом 60 °, показанных, например, на рис. 2.13.

Фазовый сдвиг 30 ° эквивалентен 180 ° на пятой и седьмой гармониках (а также 17, 19, 29, 31 и т. Д.), Так что магнитный поток и, следовательно, первичный ток на этих гармониках компенсируются в трансформаторе, и поэтому результирующая форма первичного сигнала очень хорошо приближается к синусоиде, как показано для привода мощностью 150 кВт на рис.7.18.

Рис. 7.18. Форма кривой тока электросети для привода 150 кВт с 12-импульсным выпрямителем.

Использование приводных систем с входным выпрямителем / преобразователем, использующим ШИМ, который генерирует незначительные гармонические токи в электросети, как описано в разделе 2.4.6, становится все более распространенным. Это также позволяет возвращать мощность от нагрузки к источнику питания.

Гармоника — Что такое высшие гармоники?

Во многих случаях последствия проблем, связанных с гармониками, можно надлежащим образом контролировать путем непрерывного мониторинга гармоник и незначительных корректировок конструкции установки.Иногда затраты на настройку установки настолько высоки, что необходимо применять (активные) фильтры. Подробнее об активных динамических фильтрах.

Инсталляционный проект

При выборе поперечного сечения линии, трансформаторов и устройств защиты учитывайте наличие, например, составляющих тока 3-й гармоники. Мы не ограничиваем потоки, но выбираем «избыточную мощность» в установке, например, более толстые трубы.

Учитывать при распределении разных налогов между разными группами.Оборудование, чувствительное к гармоникам, следует как можно больше отделить от оборудования, генерирующего много гармоник.

Подключайте крупные загрязняющие устройства как можно ближе к трансформатору. Здесь сеть является самой сильной, и неблагоприятное влияние загрязняющих устройств на качество напряжения для других устройств максимально ограничено.

Пассивные фильтры

Пассивные фильтры могут использоваться для блокировки определенных гармонических токов (блокирующий фильтр) или для формирования низкого импеданса для этих гармонических токов (всасывающий фильтр).Блокирующий фильтр может вызывать более высокие гармонические напряжения и является дорогостоящим, поскольку через фильтр должна проходить вся мощность. Всасывающий фильтр может иметь тот недостаток, что он также может всасывать гармонические токи от «соседей». Это может привести к перегрузке фильтра. Поскольку сети начинают вести себя динамично, пассивные фильтры становятся все более неясными, и применяются активные фильтры.

Всасывающий фильтр для различных составляющих гармонического тока

Активные фильтры

Активный фильтр можно сравнить с «шумозащитной» установкой.Активный фильтр постоянно измеряет форму тока и на основе этого измерения предлагает противоток для загрязняющих компонентов тока. В результате после фильтра создается почти синусоидальный ток.

Потому что активный фильтр — это свободно программируемый источник питания, который можно использовать в любом типе установки. С помощью настройки параметров можно выбрать, на каком типе загрязнения должен концентрироваться фильтр и в какой степени он должен его устранять.Это означает, что фильтры используются не только для устранения высших гармоник, но также для устранения резонансов, мерцания, дисбаланса и плохого косинусного фи.

Дополнительная информация? Прочтите технический документ «Активная динамическая фильтрация»

Определение гармоник — Руководство по электрическому монтажу

Наличие гармоник в электрических системах означает, что ток и напряжение искажаются и отклоняются от синусоидальной формы волны.

Гармонические токи вызваны нелинейными нагрузками, подключенными к распределительной системе.Нагрузка называется нелинейной, если ток, который она потребляет, не имеет той же формы волны, что и напряжение питания. Прохождение гармонических токов через полное сопротивление системы, в свою очередь, создает гармоники напряжения, которые искажают напряжение питания.

На Рисунок M1 представлены типичные формы сигналов тока для однофазных (вверху) и трехфазных нелинейных нагрузок (внизу).

Рис. M1 — Примеры кривых искаженного тока

Теорема Фурье утверждает, что все несинусоидальные периодические функции могут быть представлены в виде суммы членов (т.е. серия) в составе:

• Синусоидальный член на основной частоте,
• Синусоидальные составляющие (гармоники), частоты которых кратны основной частоте,
• Компонент постоянного тока, если применимо.

Гармоника порядка h (обычно называемая просто h-й гармоникой) в сигнале — это синусоидальная составляющая с частотой, в h раз превышающей основную частоту.

Уравнение гармонического разложения периодической функции y (t) представлено ниже:

Y (T) = Y0 + ∑h = 1h = ∞Yh3sin (hωt − φh) {\ displaystyle y (t) = Y_ {0} + \ sum _ {h = 1} ^ {h = \ infty} Y_ { h} {\ sqrt {2}} sin \ left (h \ omega t- \ varphi _ {h} \ right)}

где:

• Y ₀ : значение составляющей постоянного тока, обычно нулевое и рассматриваемое как таковое в дальнейшем,
• Y _h : r.РС. значение гармоники порядка h,
• ω: угловая частота основной частоты,
• φ _h : смещение гармонической составляющей при t = 0.

На рисунке M2 показан пример волны тока, на которую влияют гармонические искажения в системе распределения электроэнергии с частотой 50 Гц. Искаженный сигнал представляет собой сумму ряда наложенных гармоник:

• Значение основной частоты (или гармоники первого порядка) составляет 50 Гц,
• Гармоника 3-го порядка ^{-го порядка} имеет частоту 150 Гц,
• Гармоника 5 ^{-го порядка} имеет частоту 250 Гц,
• и т. Д.…

Рис.M2 — Пример тока, содержащего гармоники, и разложение общего тока на гармоники порядков 1 (основная), 3, 5, 7 и 9

Индивидуальная гармоническая составляющая (или гармоническая составляющая порядка h)

Индивидуальная гармоническая составляющая определяется как процент гармоник порядка h по отношению к основной гармонике. {2}}}}

Путем введения общей р.{2}}}}

информационных чтений

Гармоники генерируются диодом-конденсатором входная секция источников питания. Секция диодно-конденсаторная выпрямляет входную мощность переменного тока. в постоянное напряжение, используемое внутренними цепями. Персональный компьютер использует напряжение постоянного тока внутренне для питания различных схем и плат, составляющих компьютер. Схема блока питания потребляет ток от сети переменного тока только во время пиков напряжения. форма волны, тем самым заряжая конденсатор до пика линейного напряжения.Оборудование постоянного тока требования поступают от этого конденсатора, и, в результате, форма волны тока становится искаженный.

Гармоники в распределении электроэнергии Система объединяется с основной (60 Гц) для создания искажений. Уровень искажения напрямую связано с частотами и амплитудами гармонического тока. Все токи гармонической частоты в сочетании с током основной гармоники образуют общую гармонические искажения. (THD) Значение THD выражается в процентах от основной гармоники. ток и любые значения THD, превышающие 10%, достаточно серьезны для беспокойства.

Современные приборы качества электроэнергии читают гармоники и выполните расчет по приведенной выше формуле. Их предпочтительно используют обученные операторы. Если вы подозреваете, что у вас проблемы, или хотите убедиться, что у вас их нет гармоник, присутствующих в вашей системе распределения электроэнергии, обратитесь к специалисту по область качества электроэнергии.

Везде, где имеется большое количество нелинейных нагрузок, в системе распределения есть гармоники. Это не редкость для уровней THD в промышленных предприятий до 25%.Обычно уровни THD в офисных настройках ниже, чем на промышленных предприятиях, но офисное оборудование гораздо более восприимчиво к колебаниям мощности качественный.

Гармоники с нечетным числом (3-я, 5-я, 7-я и т. Д.) наибольшее беспокойство в системе распределения электроэнергии. Четные числовые гармоники обычно смягчается, потому что гармоники колеблются одинаково как в положительном, так и в отрицательном направлении. направление.

Эффект нагрева вызывает наибольшие проблемы в электрические распределительные системы и оборудование.Электрооборудование часто перегревается и выходит из строя даже при работе ниже номинальных значений. Повышение температуры составляет напрямую связано с увеличением среднеквадратичного тока.

Частоты гармоник всегда выше 60 Основная частота Гц, поэтому «скин-эффект» также становится фактором. Скин-эффект явление, при котором более высокая частота заставляет электроны течь к внешнему стороны проводника. Это снижает способность проводника проводить ток на уменьшение диаметра поперечного сечения проводника и тем самым уменьшение силы тока номинальная грузоподъемность проводника.Скин-эффект увеличивается как по частоте, так и по амплитуде. увеличиваются, и это причина того, что более высокие частоты гармоник вызывают большую степень нагрев в проводниках.

Промышленная среда может состоять из трех фаз, нелинейные нагрузки, потребляющие высокие уровни тока нагрузки. Влияние на работу трансформатора при подключении нескольких нагрузок каждая нагрузка генерирует тройные гармонические токи на нейтральный провод. Они отправляются на вторичную обмотку трансформатора и отражаются в дельта-первичная обмотка, и эти токи циркулируют внутри дельта-первичной обмотки, вызывая перегрев, сокращение срока службы, катастрофический отказ или что-то еще хуже.

В сбалансированных трехфазных системах без гармоник содержание, линейные токи не совпадают по фазе на 120, компенсируют друг друга и приводят к очень слабый нейтральный ток. Однако, когда есть искажения в любой из фаз токи, гармонические токи увеличиваются, и эффект компенсации уменьшается. В Обычный результат — THD нейтрального тока значительно выше запланированного. Тройка гармоники (нечетные кратные трем) складываются в нейтрали и могут быстро вызвать опасный перегрев.

Теоретически максимальный ток нейтрали будет перенос тока в 1,73 раза превышает фазный ток, и если его размер не будет правильным, это приведет к перегреву. Ток нейтрали выше нормального приведет к падению напряжения между нейтралью и землей. которые намного выше нормы. Показания выше 4 вольт указывают на высокий ток нейтрали.

Параллельный резонанс между батареей конденсаторов и Импеданс источника может вызвать резонанс системы, в результате чего токи будут выше нормальных. и напряжения.Результирующий отказ конденсатора коррекции коэффициента мощности может быть непосредственно отнесены к гармоникам. Индуктивное реактивное сопротивление напрямую зависит от частоты (XL = 2×3,14 эт).

Большинство проблем возникает, когда резонансный частота близка к 5-й или 7-й гармонике. Это самая большая гармоника числа амплитуды, которые создают большинство приводов с регулируемой скоростью. Когда возникает такая ситуация, Конденсаторные батареи должны быть изменены, чтобы сместить резонансную точку на другую частоту.

Распределительные панели для современной электроники наконечники для нейтрали, в 2 раза превышающие сечение фазных проводов в расчете на токи нейтрали. Рейтинг K трансформаторы также рассчитаны на высокие токи нейтрали.

Еще один полезный параметр — коэффициент искажения, или% DF. % DF — это полное гармоническое искажение, относящееся к общему среднеквадратичному сигналу. % DF выражается в процентах и ​​не может быть больше 100%. Международный стандарт IEC-555 предъявляет требования к оборудованию, которому необходимо соответствовать.

Ниже приведены шаги, которые необходимо предпринять для уменьшения многие проблемы возникают при наличии гармоник в системе распределения электроэнергии. Шаг № 1 может быть начат неспециалистом, после чего должен быть вызван профессионал.

1. Инвентаризация всего оборудования, которое может генерировать гармонические токи.

2. Перечислите нелинейные нагрузки на каждую ветвь. схема.

3. Запишите истинное среднеквадратичное значение тока в каждой фазе на служебный вход.

4. Запишите ток нейтрали трансформатора. вторичный.

5. Сравните измеренные нейтральный ток относительно ожидаемого тока из-за дисбаланса фаз. Если фазные токи равны, сумма векторов нейтральных токов будет равна нулю. Если чрезмерно количество тройных гармоник присутствует в нейтрали, ток нейтрали может превышать фазный Текущий. Проконсультируйтесь с NEC по поводу максимальной пропускной способности для каждого из проводников, у которых есть был измерен.

6. Измерьте содержание гармоник в каждом фидере. Высота градуса в этом месте часто слышен как жужжащий звук. Показание THD напряжения также полезно в этом месте.

Стандарт IEEE 519-1992 — это руководящий документ для коммунальных предприятий и потребителей электроэнергии, в котором указаны как максимальные уровни искажений, так и рекомендует уровни коррекции. Предел гармонических искажений в 5% оказался оптимальным. точка, в которой гармоники начинают оказывать пагубное влияние на электрическое распределение система.

Измерение гармонического тока определяет гармонический характеристики генерации нагрузки, поэтому измерения следует проводить там, когда возможный. Измерения напряжения определяют реакцию системы и обычно выполняются на индивидуальные автобусы.

Распределительные системы усугубляют проблемы, которые гармонические токи присутствуют в системе. Нелинейные гармонические токи нагрузки также имеют Отношение закона Ома к сопротивлению источника системы для создания напряжения гармоники.Рассмотрим сильно нагруженный трансформатор, на который воздействует одна параллельная цепь. подача нелинейной нагрузки; результирующие гармоники напряжения затем могут быть переданы на все остальные цепи питаются от этого трансформатора.

Гармоники напряжения

Гармоники напряжения могут вызвать разрушение внутри система распределения электроэнергии. Двигатели обычно считаются линейными; однако, когда напряжение источника питания богато гармониками, двигатель будет потреблять гармоники. Текущий.Результатом обычно является более высокая рабочая температура и сокращение срок службы.

Гармонические токи различной частоты могут вызывать дополнительные вращающиеся поля в двигателе. В зависимости от частоты двигатель будет вращаться. в обратном направлении (противодействие). Пятая гармоника, которая очень распространена, — гармоника обратной последовательности, вызывающая вращение двигателя в обратном направлении, что сокращает срок службы.

Шум может улавливаться в компьютерных сетях, оборудование связи и телефонные системы, когда гармоники присутствуют в аудио или радио частоты.С увеличением скорости компьютерных сетей будущее принесет эти системы в частоты, где они будут больше подвержены влиянию гармонического шума. Шум индуктивно или емкостно связан с линиями связи и данных.

При мониторинге индукционно-дисковых ваттметров нелинейные нагрузки, в зависимости от содержания гармоник, диск может работать медленнее или быстрее, что приведет к ошибочным показаниям.

Большинство генераторов и трансформаторов база их рабочие характеристики на невозмущенных сигналах 60 Гц.Когда формы волны богатые гармониками, сокращение срока службы или полный отказ обязательно будут результатом.

Один вариант в системе распределения, если гармоники присутствует для снижения мощности трансформатора, питающего систему. Коэффициенты снижения рейтинга K могут быть применяется специально к трансформаторам, чтобы избежать опасного нагрева при питающие токи нагрузки с высоким содержанием гармоник.

Коэффициент K определяется путем измерения истинного среднеквадратичного значения. ток каждой гармоники, умноженный на порядок гармоник и возведенный в квадрат.Общая сумма составляет затем умножается на потери на вихревые токи. Коэффициент K трансформатора должен быть считается показателем способности трансформатора выдерживать нелинейную нагрузку. токи без аномального нагрева.

Альтернативный метод снижения номинальных характеристик трансформаторов: для зданий, питающих однофазные розетки на 120 В переменного тока. Этот метод установлен Ассоциацией производителей компьютеров и оборудования для бизнеса (CBEMA).

Коэффициент снижения рейтинга CBEMA = 1.414 разделено на Крест-фактор

Пик-фактор (CF) = пиковое значение, деленное на среднеквадратичное значение

Снижение номинальных характеристик некоторых типов электрических оборудование — это самый простой способ ограничить воздействие повышенного нагрева на оборудование. А Снижение номинальных значений трансформаторов и генераторов на 25% обычно применяется в промышленности.

Фильтрация в настоящее время является наиболее распространенным методом для ограничения воздействия гармоник на остальную систему. Фильтры обычно состоят из настроенных последовательных цепей L-C.Импеданс фильтра незначителен по сравнению с остальная часть системы распределения. Эти фильтрующие продукты доступны в продаже под разные торговые наименования. Эффективность большинства фильтрующих продуктов составляет не более 50%. Самый лучший решением является установка трансформаторов с соответствующим рейтингом K и проводкой, которая размер, соответствующий потребностям оборудования и систем.

фунтов на квадратный дюйм 1995

Доступна эта информация в формате Microsoft Word 97 для скачивания (59.5кб)

эффектов гармонических искажений — PT MULTI DAYA MITRA

Влияние гармоник — перегрузка оборудования

Генераторы

Мощность генераторов, питающих нелинейные нагрузки, должна снижаться из-за дополнительных потерь, вызванных гармоническими токами.

Уровень снижения номинальных характеристик составляет примерно 10% для генератора, общая нагрузка которого составляет 30% нелинейных нагрузок. Поэтому необходимо увеличить мощность генератора, чтобы обеспечить такую ​​же активную мощность на нагрузки.

Источники бесперебойного питания (ИБП)

Ток, потребляемый компьютерными системами, имеет очень высокий коэффициент амплитуды. Размер ИБП рассчитан исключительно на среднеквадратичное значение. ток может не обеспечивать необходимый пиковый ток и может быть перегружен.

Трансформаторы

• Кривая, представленная ниже (см. Рис. M19), показывает типичное снижение номинальных характеристик, необходимое для трансформатора, питающего электронные нагрузки

Рис. M19 — Требуемое снижение номинальных характеристик трансформатора, питающего электронные нагрузки

Пример : Если трансформатор питает общую нагрузку, составляющую 40% электронных нагрузок, ее необходимо снизить на 40%.

• Стандарт UTE C15-112 обеспечивает коэффициент снижения номинальных характеристик трансформаторов в зависимости от гармонических токов.{2}}}}} \ leq 0.02}

  Пример

  Напряжение питания имеет основное напряжение U1 и гармонические напряжения u3 = 2% от U1, U5, = 3%, U7, = 1%. THDu составляет 3,7%, а HVF — 0,018. Значение HVF очень близко к максимальному значению, выше которого мощность машины должна быть снижена.

  Фактически, асинхронные машины должны питаться напряжением с THDu не более 10%.

  Конденсаторы

  Согласно стандарту IEC 60831-1 («Шунтирующие силовые конденсаторы самовосстанавливающегося типа для a.c. системы с номинальным напряжением до 1000 В включительно — Часть 1: Общие — Рабочие характеристики, испытания и номинальные характеристики — Требования безопасности — Руководство по установке »), среднеквадратичное значение. ток, протекающий в конденсаторах, не должен превышать 1,3 номинального тока.

  Используя приведенный выше пример, основное напряжение U1, гармонические напряжения u5 = 8% (от U1), U7 = 5%, U11 = 3%, U13, = 1%, т.е. полное гармоническое искажение THDu равно 10%, результат:

  Ir.ms/I1 = 1,19 при номинальном напряжении.Для напряжения, равного 1,1 номинального напряжения, достигается предел тока

  Ir.m.s./I1 = 1,3, и необходимо изменить размер конденсаторов.

  Нейтральные проводники

  Рассмотрим систему, состоящую из сбалансированного трехфазного источника и трех идентичных однофазных нагрузок, подключенных между фазами и нейтралью (см. Рис. M20).

  Рис. M20 — Прохождение токов в различных проводниках, подключенных к трехфазному источнику

  На рисунке M21 показан пример токов, протекающих в трех фазах, и результирующего тока в нейтральном проводе.

  В этом примере ток в нейтральном проводе имеет среднеквадратичное значение, которое выше, чем действующее значение тока в фазе, на коэффициент, равный квадратному корню из 3.

  Поэтому нейтральный проводник должен иметь соответствующий размер. .

  Рис. M21 — Пример токов, протекающих в различных проводниках, подключенных к трехфазной нагрузке (In = Ir + Is + It)

  Таким образом, ток в нейтрали может превышать ток в каждой фазе установки например, с большим количеством однофазных устройств (ИТ-оборудование, люминесцентное освещение).Так обстоит дело в офисных зданиях, компьютерных центрах, Интернет-центрах обработки данных, call-центрах, банках, торговых центрах, торговых зонах освещения и т. Д.

  Это не обычная ситуация, поскольку питание подается одновременно на линейные и / или трехфазные нагрузки (отопление, вентиляция, лампы накаливания и т. д.), которые не генерируют гармонические токи третьего порядка. Однако необходимо соблюдать особую осторожность при определении размеров поперечного сечения нейтральных проводников при проектировании новых установок или при их модификации в случае изменения нагрузок, на которые подается питание.

  Можно использовать упрощенный подход для оценки нагрузки нейтрального проводника.

  Для сбалансированных нагрузок ток в нейтрали IN в 3 раза больше тока 3-й гармоники фазного тока (I3), то есть: IN ≈ 3.I3

  Это можно выразить как: IN ≈ 3. i3 . I1

  Для низких значений коэффициента искажения среднеквадратичное значение. значение тока аналогично среднеквадратичному. значение основного, следовательно: IN ≈ 3. i3 IL

  А: IN / IL ≈ 3. i3 (%)

  Это уравнение просто связывает перегрузку нейтрали (IN / IL) с коэффициентом тока третьей гармоники.

  В частности, он показывает, что когда это соотношение достигает 33%, ток в нейтральном проводе равен току в фазах. Независимо от величины искажения, было возможно использовать моделирование для получения более точного закона, который проиллюстрирован на Рис. M22

  Рис. M22 — Нагрузка нейтрального проводника на основе отношения третьей гармоники

  Третья коэффициент гармоник влияет на ток в нейтрали и, следовательно, на мощность всех компонентов в установке:

  • Распределительные панели
  • Устройства защиты и распределения
  • Кабели и системы шинопровода

  Согласно расчетному коэффициенту третьей гармоники , возможны три сценария: соотношение ниже 15%, от 15 до 33% или выше 33%.

  Коэффициент третьей гармоники ниже 15% (i3 ≤ 15%):

  Считается, что нейтральный проводник не пропускает ток. Площадь поперечного сечения фазных проводов определяется исключительно током в фазах. Площадь поперечного сечения нейтрального проводника может быть меньше площади поперечного сечения фаз, если площадь поперечного сечения больше 16 мм2 (медь) или 25 мм2 (алюминий).

  Защита нейтрали не является обязательной, если ее поперечное сечение не меньше, чем у фаз.

  Коэффициент третьей гармоники между 15 и 33% (15

  Считается, что нейтральный проводник проводит ток.

  Рабочий ток многополюсного канала необходимо уменьшить в 0,84 раза (или, наоборот, выбрать канал с рабочим током, равным расчетному току, деленному на 0,84).

  Площадь поперечного сечения нейтрали ДОЛЖНА быть равна площади поперечного сечения фаз.

  Защита нейтрали не требуется.

  Коэффициент третьей гармоники более 33% (i3> 33%)

  Этот редкий случай представляет собой особенно высокий коэффициент гармоник, вызывающий циркуляцию тока в нейтрали, который больше, чем ток в фазах.

  Поэтому следует соблюдать меры предосторожности при выборе размеров нейтрального проводника.

  Как правило, рабочий ток фазных проводов должен быть уменьшен в 0,84 раза (или, наоборот, выбрать транкинг с рабочим током, равным рассчитанному току, деленному на 0.84). Кроме того, рабочий ток нейтрального проводника должен быть в 1,45 раза больше рабочего тока фазных проводов (т. Е. 1,45 / 0,84-кратного расчетного фазного тока, следовательно, приблизительно 1,73-кратного расчетного фазного тока).

  Рекомендуемый метод — использовать многополюсный канал, в котором площадь поперечного сечения нейтрали равна площади поперечного сечения фаз. Таким образом, ток в нейтральном проводе является ключевым фактором при определении площади поперечного сечения проводов.Защита нейтрали не требуется, хотя она должна быть защищена, если есть сомнения относительно нагрузки нейтрального проводника.

  Этот подход является обычным для конечного распределения, где многополюсные кабели имеют одинаковые площади поперечного сечения для фаз и нейтрали.

  В случае систем шинопроводов точное знание превышения температуры, вызываемого гармоническими токами, позволяет использовать менее консервативный подход. Параметры системы шинопроводов можно выбрать непосредственно в зависимости от рассчитанного тока нейтрали.

  Причины и эффекты гармоник | Журнал Electrical India по энергетике и электротехнике, возобновляемым источникам энергии, трансформаторам, распределительным устройствам и кабелям

  Гармоники определяются как содержание сигнала, частота которого является целым кратным системной частоте основных частот. Ток гармоник, генерируемый любой нелинейной нагрузкой, течет от нагрузки в энергосистему. Эти гармонические токи ухудшают характеристики и надежность энергосистемы, а также могут вызвать проблемы с безопасностью.Необходимо четко определить местонахождение гармоник, выявить источники и принять меры по их предотвращению.

  Электрическая нагрузка подразделяется на две категории

  1. Линейная нагрузка: Такая нагрузка потребляет напряжение и ток по существу синусоидальной формы, но с различным фазовым сдвигом (коэффициентом мощности). Пример: резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и их комбинации относятся к линейной нагрузке. Линейные нагрузки имеют плавную, прямую и предсказуемую реакцию.
  2. Нелинейная нагрузка: Источники питания при нелинейной нагрузке потребляют ток резкими импульсами, а не плавной синусоидальной волной.Это указывает на искаженную или внезапно меняющуюся реакцию. Пример — современное электронное / электрическое оборудование, состоящее из цепей выпрямления, зарядки / разрядки и управления фазой.

  Гармоники: Искажение в синусоидальной волне обычно определяется в терминах различных гармонических составляющих. Гармоники определяются как составляющие сигнала, частота которого является целым кратным системной частоте основной гармоники. Типичными гармониками для системы 50 Гц (основная частота) являются 5-я (250 Гц), 7-я (350 Гц), 9-я (450 Гц).

  Гармоники периодической волны могут быть представлены рядом Фурье:
  f (wt) = AO + A1coswt + A2 cos2wt + B1sinwt + B2 sin2wt + ——-
  f (wt) = Заданная несинусоидальная периодическая форма волны с угловым скорость w = 2 Σ f
  A0 = Const.
  A1, A2, A3 ———- Коэффициент при косинусных членах, n-й порядок гармоники.
  B1, B2, B3, ——– Bn коэффициент синусоидальных членов, nth — порядок гармоники.

  Влияние гармоник: Ток гармоник, генерируемый любой нелинейной нагрузкой, течет от нагрузки в энергосистему.Эти токи гармоник ухудшают характеристики и надежность энергосистемы, а также могут вызвать проблемы с безопасностью. Необходимо четко определить местонахождение гармоник, определить источники и принять меры для предотвращения этих проблем. THD (полное гармоническое искажение) может быть вычислено в соответствии со стандартом IEE-519 как:

  Где hn — отдельные гармоники n-го порядка.

  Источник гармоник: (1) Трансформаторы без нагрузки и малые нагрузки (2) Насыщенные реакторы (3) Моторные приводы, управляемые тиристером (4) Дуговые печи (5) Дуговые сварочные аппараты (6) Кондукционные печи (7) Газоразрядное освещение -Низкие / высокие натриевые лампы (8) Ртутные лампы высокого давления (9) КЛЛ / люминесцентные ламповые лампы (10) Устройства энергосбережения e.грамм. устройства плавного пуска, электронный балласт и регуляторы вентилятора (11) Выпрямители (12) ИБП (13) Статический компенсатор VAR (14) Система передачи HVDC (15) Преобразование солнечной энергии.

  Зачем беспокоиться о гармониках: Искажение напряжения, как правило, очень вредно, поскольку оно может увеличить эффективное пиковое значение, а также среднеквадратичный ток в некоторых устройствах, подключенных к сети. Импеданс конденсатора резко уменьшается, поскольку он обратно пропорционален частоте. В нормальных условиях искажение напряжения в первичной электрической распределительной сети минимально, и с практической точки зрения им обычно можно пренебречь.С другой стороны, искажение формы волны тока является обычным явлением, особенно когда электронное оборудование подключено к сети или когда подключены нелинейные нагрузки. Искажение тока, как правило, вызывает перегрев из-за увеличения потерь и влияет на все электрические машины, трансформаторы и т. Д. Это вызывает снижение характеристик оборудования. Величина снижения номинальных характеристик будет зависеть от присутствующих гармоник и величины отдельного тока и сопротивления.

  Гармоническая составляющая прямой последовательности будет генерировать магнитное поле, которое вращается в том же направлении, что и основная гармоника.Гармоника обратной последовательности будет генерировать вращающееся магнитное поле в обратном направлении. Гармоника нулевой последовательности не поворачивает магнитное поле в любом направлении.

  Пределы уровней гармоник: В зависимости от сети системы в разных странах приняты разные пределы для определения допустимых уровней гармонических искажений. Ниже указаны общепринятые диапазоны предельных значений.

  Необходимо установить пределы уровней генерации гармоник и сделать обязательными для пользователей.Однако в нашей стране до сих пор не принято никаких правил в этом отношении. Регулировка предназначена только для изменения номинального напряжения, которое составляет ± 10% и ± 2% от частоты.

  Гармонический ток

  Теоретическое значение гармонического тока = I / ч
  
  I = основное значение тока
  h = Порядок гармоник

  Форма электрического сигнала с гармоническими искажениями…

  Гармонические эффекты на различных компонентах

  1. Трансформаторы: Гармоники в трансформаторах вызывают увеличение потерь в железе и меди.Искажения напряжения увеличивают потери из-за гистерезиса и вихревых токов и вызывают чрезмерное напряжение используемого изоляционного материала. Основным эффектом гармоник линии электропередачи в трансформаторе является выработка дополнительного тепла. Другие проблемы включают возможный резонанс между индуктивностью трансформатора и емкостью системы, термическую усталость из-за циклического изменения температуры и возможные колебания сердечника.
  2. Двигатель и генераторы: Гармоники напряжения и тока вызывают повышенный нагрев во вращающихся машинах из-за дополнительных потерь в железе и меди на частотах гармоник.Это снижает эффективность машины и влияет на развиваемый крутящий момент. Поток гармонических токов в статоре вызывает протекание тока в роторе. Это приводит к нагреву ротора и пульсации или снижению крутящего момента. Нагрев ротора снижает эффективность и срок службы оборудования, в то время как пульсирующий или пониженный крутящий момент приводит к механическим колебаниям, вызывающим усталость вала и повышенное старение механических деталей.

  iii. Приводы Thyrister: частотно-регулируемые приводы переменного тока с тиристорным преобразователем при работе на малой скорости обычно приводят к низкому коэффициенту мощности.

  1. Силовой кабель: Нормальный уровень гармонических токов вызывает нагревание кабелей. Однако кабели, задействованные в условиях системного резонанса, могут подвергаться напряжению и коронному разряду, что может привести к нарушению изоляции.
  2. Измерительное оборудование: В общем, гармоники, протекающие в измерительном оборудовании индукционного типа, будут создавать дополнительные пути связи, тем самым увеличивая скорость диска и, следовательно, очевидное увеличение затрат.
  3. Распределительное устройство и реле: Гармонический ток увеличивает нагрев и потери в распределительном устройстве, снижая его нормальную токовую нагрузку и сокращая срок службы из-за напряжения. Предохранители требуют снижения номинальных характеристик из-за тепла, выделяемого гармониками.

  vii. Система заземления и характеристики компьютера: В системе с 3 фазами и нейтралью — когда ожидаются 3-е гармоники и кратные, размер нейтрального проводника должен быть такого же размера, как и размер фазного проводника.
  Зависание компьютера, потеря инструкций, данных или некорректное поведение могут быть в той же степени связаны с плохим качеством питания. Заземление компьютерного оборудования должно быть независимым и крепиться к заземлению сети в одной точке — предпочтительно только в точке входа.Многоточечное заземление обеспечивает связь с различным другим оборудованием.

  viii. Сеть связи: Индукционная связь между линиями электропередачи переменного тока, содержащими гармоники, и соседней сетью связи, вызывающая высокий уровень шума.

  1. Конденсатор: Конденсаторы для коррекции коэффициента мощности всегда присутствуют в промышленных установках, и на них сильнее всего влияют гармоники. Конденсаторы не генерируют гармоники, но создают сетевой контур для возможного резонанса.Емкостное реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты, тогда как индуктивное реактивное сопротивление увеличивается напрямую с частотой. На резонансной частоте любой цепи индуктивной емкости (LC) индуктивное реактивное сопротивление будет равно емкостному реактивному сопротивлению. В реальной электрической системе, использующей конденсатор коррекции коэффициента мощности, может возникать как последовательный, так и паррелевский резонанс, а также их комбинация. В случае последовательной цепи полное сопротивление на резонансной частоте сводится только к резистивной составляющей системы.Если эта составляющая мала, на резонансной частоте будут возникать высокие значения тока. В случае параллельной цепи полное сопротивление на резонансной частоте очень велико (приближаясь гипотетически к бесконечности), таким образом, при возбуждении даже от небольшого источника на резонансной частоте; между параллельным конденсатором и катушкой индуктивности будет протекать большой циркулирующий ток. Напряжение на параллельной комбинации может быть довольно высоким. Следовательно, если резонансная точка одного или обоих этих типов контуров оказывается близкой к одной из частот, генерируемых источниками гармоник в системе, результатом может быть протекание чрезмерного количества гармонического тока и / или появление чрезмерного гармоническое напряжение.Эти события могут вызвать такие проблемы, как выход из строя конденсаторной батареи; чрезмерное срабатывание конденсаторных предохранителей и пробой диэлектрика изолированных кабелей. В большинстве низковольтных установок могут соблюдаться следующие правила:
     1. Если кВА нагрузок, генерирующих гармоники, составляет менее 10% номинальной мощности трансформатора, конденсатор может быть установлен без учета резонанса.
     2. Если кВА нагрузки, генерирующей гармоники, составляет менее 30% номинальной мощности, а номинальная мощность конденсатора составляет менее 20% номинальной мощности трансформатора, кВА, конденсатор может быть установлен без учета резонанса.
     3. Если кВА нагрузки, генерирующей гармоники, превышает 30% номинальной мощности трансформатора, необходимо использовать конденсаторы в качестве фильтров.
     Приведенные выше рекомендации применимы, когда используются трансформаторы с импедансом от 5 до 6%, а полное сопротивление системы меньше 1% на базе трансформатора.

  Фильтры гармоник

  Для правильной работы энергосистемы руководящими принципами служат две вещи:

  1. Потребитель несет ответственность за поддержание искажений тока в пределах допустимых / приемлемых уровней.
     2. Электрощит отвечает за поддержание искажений напряжения в пределах допустимых / приемлемых уровней.
     Существуют разные типы фильтров:
     — Одинарные настраиваемые фильтры.
     — High Pass (первый, второй или третий порядок и т. Д.)

  Конденсатор с последовательным реактивным сопротивлением может быть сконструирован таким образом, чтобы настраиваться на заданную гармонику. Он предлагает почти нулевой импеданс параллельного пути и поглощает определенную гармонику. На основной частоте это также помогает в коррекции коэффициента мощности.Таким образом, везде, где требуются фильтры, часть P.F. конденсаторная батарея превращается в фильтр или фильтры. Блок фильтров увеличивает стоимость установки конденсатора из-за дополнительных автоматических выключателей и реакторов.

  Не допускается попадание нежелательного гармонического тока в энергосистему за счет использования высокого последовательного импеданса для их блокировки или направления посредством шунтирующего тракта с низким импедансом.

  Фильтры серии

  должны быть рассчитаны на пропускание тока полной нагрузки и должны быть изолированы до полного номинального напряжения системы, в то время как шунтирующие фильтры менее дороги и обеспечивают компенсацию реактивной мощности на основной частоте.Поэтому обычно предпочтительно использовать шунтирующие фильтры.

  ---

  Количественная оценка содержания гармоник в токах помех в тяговых приложениях, возникающих из-за преобразователей частоты

  Распространенной проблемой в электротехнике является измерение малых высокочастотных помеховых токов или низкосильных гармоник более высокого порядка в присутствии большого основного тока.

  При использовании традиционных методов измерения тока первичный преобразователь, часто трансформатор тока или устройство на эффекте Холла, должен иметь достаточно большой номинал, чтобы не происходило насыщение при наличии основной составляющей.Таким образом, первичный преобразователь является дорогостоящим, громоздким и в сочетании с анализатором мощности или осциллографом часто не имеет разрешения, необходимого для точного измерения этих небольших высокочастотных токов.

  Преобразователь тока Роговского (RCTi или CWT) предлагает решение этой проблемы:

  • размер катушки можно указать независимо от измеряемого тока
  • : основная составляющая тока не может повредить преобразователь, а пояс Роговского не подвержен магнитному насыщению
  • — это простая модификация для настройки полосы пропускания CWT или RCTi для ослабления основных составляющих и повышения чувствительности для обеспечения высокого отношения сигнал / шум на тех частотах, которые представляют интерес.
  • и RCTi имеют достаточно высокий порог (-3 дБ) для точных измерений в диапазоне МГц

  PEM Ltd поставила ряд таких датчиков для тягового производства. Например, для облегчения оценки электромагнитной совместимости новой национальной железной дороги компания PEM поставила индивидуальный преобразователь RCTi. Система железнодорожной сигнализации передает закодированные сообщения между путевым кабелем и антенной поезда на частоте 30-60 кГц. Проблема ЭМС касается гармонических токов тяги, протекающих в третьей рельсе и ходовых рельсах, которые могут индуктивно вводиться в сигнальный кабель, а также вызывать помехи в антенне.Для передаваемых данных необходимо обеспечить определенное соотношение сигнал / шум. Поэтому требуется оптимизированный преобразователь RCTi, который является гибким и фиксируется, чтобы легко наматываться на рельсовый путь. Отсечка низких частот оптимизирована для отсечки 4,2 кГц с ровным откликом на 10 кГц, но затуханием -40 дБ на 1 кГц. Таким образом, RCTi может измерять небольшие токи помех в шине порядка нескольких мА в диапазоне 30–60 кГц, но при этом отклонять гораздо более крупные компоненты (порядка A) от источников промышленной частоты.