Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике

ПОИСК ПО САЙТУ:

 
  
  

 

Статьи для электриков » Электроснабжение

Причины появления высших гармоник в современных системах электроснабжения

 

Электрооборудование современного мира все более усложняется, особенно это касается IT-технологий. В связи с данной тенденцией, системы обеспечения качества электроэнергии должны удовлетворять этим запросам: они просто обязаны легко справляться с колебаниями, выбросами, провалами напряжения, с шумами, импульсными помехами и т. д., чтобы промышленная сеть и присоединенные к ней потребители могли бы нормально функционировать.

Изменение формы сетевого напряжения из-за гармоник, вызываемых нелинейными нагрузками, — вот одна из основных проблем, которую необходимо решать. В рамках данной статьи мы рассмотрим всесторонние аспекты этой проблемы.

Причины появления высших гармоник в современных системах электроснабжения

В чем заключается суть проблемы

Основная доля нынешней оргтехники, компьютерного, офисного, мультимедийного оборудования — это по большому счету нелинейные нагрузки, которые, будучи подключены к общей сети электроснабжения в огромном количестве, искажает форму напряжения сети.

Это искаженное напряжение болезненно воспринимается другими электроприборами, и иногда оно сильно нарушает их нормальную работу: вызывает сбои, перегревы, сбивает синхронность, порождает помехи в сетях передачи данных, - в общем, переменное напряжение несинусоидальной формы способно причинить оборудованию, процессам, и людям целый ряд неудобств, в том числе материальных.

Форма тока однофазного и трехфазного выпрямителя

Искажение напряжения как таковое описывается парой коэффициентов: коэффициентом синусоидальности, отражающим отношение действующей величины высших гармоник к действующей величине основной гармоники сетевого напряжения, и коэффициентом амплитуды нагрузки, равным отношению пикового тока потребления к действующему току нагрузки.

Чем опасны высшие гармоники

Эффекты, вызываемые проявлением высших гармоник можно разделить по продолжительности воздействия на мгновенные и длительные. К мгновенным принято относить: искажение формы напряжения питания, падение напряжения на распределительной сети, эффекты от гармоник, в том числе резонанс на частоте гармоник, вредные наводки на сети передачи данных, шум в акустическом диапазоне, вибрация машин. К проблемам длительным относятся: избыточные потери на нагрев в генераторах и трансформаторах, перегрев конденсаторов и распределительных сетей (проводников).

Высшие гармоники и форма сетевого напряжения

Значительный пиковый ток в половину сетевой синусоиды дает повышение коэффициента амплитуды. Чем выше и короче токовый пик — тем сильнее искажение, при этом коэффициент амплитуды зависит от возможностей источника питания, от его внутреннего сопротивления — способен ли он отдать такой пиковый ток. Некоторые источники необходимо завышать по номинальной мощности, например применять специальные обмотки в генераторах.

А вот источники бесперебойного питания (ИБП) заметно лучше справляются с данной проблемой: за счет двойного преобразования они в состоянии контролировать ток нагрузки в каждый момент времени, и посредством ШИМ регулировать его, что позволяет избежать проблем из-за высокого коэффициента амплитуды тока. Другими словами, большой коэффициент амплитуды тока — не проблема для качественных ИБП.

Высшие гармоники и падение напряжения

Как отмечалось выше, ИБП хорошо справляются с высоким коэффициентом амплитуды, и искажения формы для них не превышают 6%. Соединительные провода здесь, как правило, не имеют особого значения, они достаточно короткие. Но из-за обилия гармоник в сетевом напряжении, форма тока отклонится от синусоидальной, особенно это касается нечетных высокочастотных гармоник, вносимых однофазными и трехфазными выпрямителями (см. рисунок).

Высшие гармоники и падение напряжения

Комплексное сопротивление распределительной сети носит в целом индуктивный характер, поэтому гармоники токов в большом количестве приведут к значимым падениям напряжения на линиях длиной от 100 метров, и эти падения могут превысить допустимые, в итоге форма напряжения на нагрузке окажется искажена.

В качестве примера обратите внимание, как изменяется ток на выходе однофазного диодного выпрямителя при различных импедансах сети, в зависимости от сопротивления входного фильтра питаемого устройства с бестрансформаторным входом, и как это влияет на форму напряжения.

Проблема гармоник кратных третьей

Третья, девятая, пятнадцатая и т.д — высшие гармоники сетевого тока отличаются высокими коэффициентами амплитуды. Данные гармоники возникают из-за однофазных нагрузок, и действие их на трехфазные системы довольно специфично. Если трехфазная система симметрична, токи сдвинуты между собой на 120 градусов, и суммарный ток в нейтральном проводнике равен нулю, - на проводнике нет падения напряжения.

Проблема гармоник кратных третьей

Это справедливо в теории для большинства гармоник, но для некоторых гармоник характерно вращение вектора тока в ту же сторону, что и вектор тока основной гармоники. В итоге в нейтрали накладываются друг на друга нечетные гармоники кратные третьей. А так как этих гармоник большинство — суммарный ток нейтрали может превысить фазные: скажем, фазные токи по 20 ампер дадут ток нейтрали частотой 150 Гц в 30 ампер.

Кабель, спроектированный без учета влияния гармоник, может перегреться, ведь по уму его сечение должно было быть увеличено. Гармоники кратные третьей сдвинуты в трехфазной цепи на 360 градусов относительно друг друга.

Резонанс, наводки, шум, вибрации, нагрев

В распределительных сетях имеется опасность возникновения резонанса на высших гармониках тока или напряжения, в этих случаях составляющая гармоники оказывается выше основной частоты, что отрицательно сказывается на узлах системы и на оборудовании.

Сети передачи данных, проложенные неподалеку от силовых линий, по которым текут токи высших гармоник, подвергаются помехам, информационный сигнал в них портится, при этом чем меньше расстояние от линии до сети, чем больше их совместная протяженности, чем выше частота гармоники — тем больше искажение информационного сигнала.

Трансформаторы и дроссели начинают больше шуметь из-за высших гармоник, электродвигатели испытывают пульсации магнитного потока, что приводит к вибрациям момента на валу. Электрические машины и трансформаторы перегреваются, возникают потери электроэнергии на нагрев. В конденсаторах повышается угол диэлектрических потерь на частоте выше сетевой, и они начинают перегреваться, может случиться пробой диэлектрика. Что и говорить о потерях в линиях в связи с повышением их температуры...


Статьи близкие по теме:

  • Источники гармоник в электрических сетях
  • Сложные переменные токи
  • Влияние высших гармоник напряжения и тока на работу электрооборудования
  • Электрические цепи несинусоидального тока
  • Как уменьшить пульсацию выпрямленного напряжения




  • Наш сайт в Facebook:

    Школа для электрика | Основы электротехники | Электричество для чайников
    Электрические аппараты | Справочник электрика
     Электроснабжение | Электрические измерения | Электрические схемы
     Электромонтажные работы | Пусконаладочные работы | Эксплуатация электрооборудования

    Статьи и схемы

    » Школа для электрика
    » Электричество для чайников
    » Электробезопасность
    » Электрические схемы
    » Электроснабжение
    » Основы электротехники
    » Основы электроники
    » Электрические машины
    » Электрические аппараты
    » Автоматизация производственных процессов
    » Альтернативная энергетика
    » Заземление и молниезащита
    » Монтаж электрооборудования
    » Наладка электрооборудования
    » Релейная защита и автоматика
    » Ремонт электрооборудования
    » Экономия электроэнергии
    » Эксплуатация электрооборудования
    » Электрические измерения
    » Электрические системы и сети
    » Электрические станции и подстанции
    » Электрическое освещение
    » Электрооборудование промышленных предприятий
    » Электропривод
    » Электротехнические материалы
    » Электротехнология
    » Статьи на разные темы
    » Видеокурсы и другие обучающие материалы

    Климатическое оборудование IEK для электротехнических шкафов