Разлози за појаву виших хармоника у савременим електроенергетским системима

Електрична опрема савременог света постаје све сложенија, посебно за ИТ технологије. Због овог тренда, системи за обезбеђење квалитета електричне енергије морају да испуне ове захтеве: једноставно морају лако да поднесу флуктуације, пренапоне, падове напона, буку, импулсну буку итд., како би индустријска мрежа и њени корисници могли нормално да функционишу.

Преобликовање напона мреже због хармоника узрокованих нелинеарним оптерећењима је један од главних проблема који треба решити. У овом чланку ћемо размотрити детаљне аспекте овог проблема.

Шта је суштина проблема

Главни удео садашње канцеларијске опреме, рачунара, канцеларијске, мултимедијалне опреме су углавном нелинеарна оптерећења, која, прикључена у заједничку електроенергетску мрежу у огромним количинама, нарушавају облик мрежног напона.

Овај изобличени напон болно перципирају други електрични уређаји и понекад значајно ремети њихов нормалан рад: узрокује кварове, прегревање, прекида синхронизацију, ствара сметње у мрежама за пренос података, — генерално, несинусни наизменични напон може изазвати читав низ опреме , процеси и непријатности за људе, укључујући и материјалне.

Изобличење напона као такво описује се паром коефицијената: синусоидним фактором, који одражава однос ефективне вредности виших хармоника и ефективне вредности основног хармоника мрежног напона, и фактора врха оптерећења, једнак однос потрошње вршне струје и ефективне струје оптерећења.

Зашто су виши хармоници опасни?

Ефекти изазвани испољавањем виших хармоника могу се поделити према трајању излагања на тренутне и дугорочне. Уобичајено је поменути тренутне: изобличење облика напона напајања, пад напона у дистрибутивној мрежи, хармонијски ефекти укључујући резонанцу хармонијске фреквенције, штетне сметње у мрежама за пренос података, шум у акустичном опсегу, вибрације машина. Дугорочни проблеми су: превелики губици топлоте у генераторима и трансформаторима, прегревање кондензатора и дистрибутивних мрежа (жица).

Хармоници и облик линијског напона

Значајне вршне струје у половини мрежног синусног таласа доводе до повећања фактора врха.Што је вршна струја већа и краћа, то је изобличење јаче, док фактор чешља зависи од могућности извора напајања, од његовог унутрашњег отпора – да ли је у стању да испоручи такву вршну струју. Неки извори морају бити прецењени у односу на њихову називну снагу, на пример у генераторима се морају користити посебни намотаји.

Али беспрекидна напајања (УПС) се много боље носе са овим проблемом: због двоструке конверзије, они су у стању да контролишу струју оптерећења у сваком тренутку и регулишу је помоћу ПВМ-а, чиме се избегавају проблеми због високог коефицијента грејања струје. . Другим речима, фактор високог врха није проблем за квалитетан УПС.

Виши хармоници и пад напона

Као што је горе наведено, УПС-ови добро подносе високе факторе врха и њихово изобличење таласног облика не прелази 6%. Прикључне жице овде, по правилу, нису битне, прилично су кратке. Али због обиља хармоника у линијском напону, тренутни таласни облик ће одступити од синусоидног, посебно за непарне високофреквентне хармонике које уводе једнофазни и трофазни исправљачи (види слику).

Комплексна импеданса дистрибутивне мреже је обично индуктивна природа, дакле, струјни хармоници у великим количинама ће довести до значајних падова напона на водовима дужине 100 метара, а ти падови могу премашити дозвољене, услед чега ће облик напона на оптерећењу бити изобличен.

Као пример, приметите како се излазна струја једнофазног диодног исправљача мења на различитим импедансама мреже, у зависности од отпора улазног филтера напајаног уређаја са улазом без трансформатора, и како то утиче на таласни облик напона.

Проблем хармоника вишекратника терце

Треће, девето, петнаесто итд. — виши хармоници струје мреже одликују се високим амплитудним коефицијентом. Ови хармоници настају од једнофазних оптерећења и њихов утицај на трофазне системе је прилично специфичан. Ако трофазни систем је симетричан, струје су измештене једна од друге за 120 степени, а укупна струја у неутралној жици је нула, — нема пада напона на жици.

Ово је у теорији тачно за већину хармоника, али неке хармонике карактерише ротација вектора струје у истом правцу као и вектор струје основног хармоника. Као резултат тога, у неутралном се непарни хармоници који су вишеструки од терце налажу један на други. А пошто су ови хармоници у већини, укупна неутрална струја може премашити фазне струје: рецимо, фазне струје од 20 ампера ће дати неутралну струју са фреквенцијом од 150 Хз на 30 ампера.

Кабл који је пројектован без узимања у обзир утицаја хармоника може да се прегреје јер је, по мишљењу, његов пресек требало да буде повећан. Хармонични вишекратници трећине су померени у трофазном колу за 360 степени један у односу на други.

Резонанција, сметње, бука, вибрације, грејање

Дистрибутивне мреже имају опасност од резонанције при вишим хармоницима струје или напона, у овим случајевима се испоставља да је хармонијска компонента виша од основне фреквенције, што негативно утиче на компоненте система и опрему.

Мреже за пренос података које се налазе у близини далековода кроз које теку струје са вишим хармоницима су подложне сметњама, информациони сигнал у њима се погоршава, док што је растојање од линије до мреже краће, то је дужина њихове везе већа, то је већа хармонична фреквенција — што је већи информациони сигнал изобличења.

Трансформатори и пригушнице почињу да праве више буке због виших хармоника, електромотори доживљавају пулсације у магнетном флуксу, што резултира вибрацијама обртног момента на вратилу. Електричне машине и трансформатори се прегревају и долази до губитака топлоте. У кондензаторима, угао диелектричног губитка расте са фреквенцијом већом од мреже, и они почињу да се прегревају, може доћи до квара диелектрика. О губицима у водовима због повећања њихове температуре сувишно је говорити...