Высшие гармоники в системах электроснабжения — это искажения синусоидальной формы напряжения и тока, вызванные нелинейными нагрузками, такими как компьютеры, преобразователи частоты, светодиодные лампы и другие. Высшие гармоники представляют собой синусоидальные колебания, частота которых кратна частоте основной гармоники (50 Гц).
Высшие гармоники могут приводить к различным негативным эффектам, таким как:
- Повышение потерь энергии и нагрева в электрических машинах, трансформаторах, кабелях и других элементах сети.
- Снижение качества и надежности электропитания, ухудшение работы чувствительного оборудования, сбои в коммуникационных и управляющих сетях.
- Возникновение резонансных явлений на частотах высших гармоник, которые могут привести к перенапряжениям, перегрузкам и повреждениям оборудования.
- Увеличение электромагнитных помех, акустического шума и вибрации в электромеханических системах.
Подробно о причинах появления высших гармоник в системах электроснабжения читайте дальше в статье.
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.
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.
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).
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.
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...
Андрей Повный