Årsager til fremkomsten af ​​højere harmoniske i moderne strømsystemer

Det elektriske udstyr i den moderne verden bliver mere og mere komplekst, især for IT-teknologier. På grund af denne tendens skal strømkvalitetssikringssystemer opfylde disse krav: de skal simpelthen nemt håndtere udsving, overspændinger, spændingsfald, støj, impulsstøj osv., så det industrielle netværk og tilhørende brugere kan fungere normalt.

Omformning af netspænding på grund af harmoniske forårsaget af ikke-lineære belastninger er et af hovedproblemerne, der skal løses. I denne artikel vil vi se på de dybdegående aspekter af dette problem.

Hvad er essensen af ​​problemet

Hovedandelen af ​​det nuværende kontorudstyr, computere, kontor, multimedieudstyr er generelt ikke-lineære belastninger, som, forbundet i det fælles strømnetværk i enorme mængder, forvrænger formen på netværksspændingen.

Denne forvrængede spænding opfattes smerteligt af andre elektriske enheder og forstyrrer nogle gange betydeligt deres normale drift: den forårsager funktionsfejl, overophedning, afbryder synkronisering, genererer interferens i datatransmissionsnetværk, — generelt kan ikke-sinusformet vekselspænding forårsage en lang række udstyr , processer og gener for mennesker, herunder materiale.

Spændingsforvrængningen som sådan er beskrevet af et par koefficienter: den sinusformede faktor, som afspejler forholdet mellem rms-værdien af ​​de højere harmoniske og rms-værdien af ​​den grundlæggende harmoniske af netværksspændingen, og load crest-faktoren, lig med et forhold mellem spidsstrømforbruget og den effektive belastningsstrøm.

Hvorfor er højere harmoniske farlige?

Effekterne forårsaget af manifestationen af ​​højere harmoniske kan opdeles efter eksponeringens varighed i øjeblikkelig og langvarig. Det er almindeligt at nævne øjeblikkelig: forsyningsspændingsformforvrængning, distributionsnetværksspændingsfald, harmoniske effekter inklusive harmonisk frekvensresonans, skadelig interferens i datatransmissionsnetværk, støj i det akustiske område, vibrationer i maskineri. Langsigtede problemer omfatter: for store varmetab i generatorer og transformere, overophedning af kondensatorer og distributionsnetværk (ledninger).

Overtoner og linjespændingsform

Betydelige spidsstrømme i halvdelen af ​​netværkets sinusbølge fører til en stigning i topfaktoren.Jo højere og kortere spidsstrømmen er, desto stærkere er forvrængningen, mens kamfaktoren afhænger af strømkildens muligheder, af dens indre modstand - om den er i stand til at levere en sådan spidsstrøm. Nogle kilder skal overvurderes i forhold til deres mærkeeffekt, fx skal der anvendes specielle viklinger i generatorer.

Men uafbrydelige strømforsyninger (UPS) klarer dette problem meget bedre: på grund af den dobbelte konvertering er de i stand til at styre belastningsstrømmen til enhver tid og regulere den ved hjælp af PWM, hvilket undgår problemer på grund af strømmens høje kamkoefficient . Med andre ord er den høje topfaktor ikke et problem for en kvalitets-UPS.

Højere harmoniske og spændingsfald

Som nævnt ovenfor håndterer UPS'er høje topfaktorer godt, og deres bølgeformsforvrængning overstiger ikke 6%. Tilslutningsledninger her er som regel ligegyldigt, de er ret korte. Men på grund af overfloden af ​​harmoniske i linjespændingen vil strømbølgeformen afvige fra sinusformet, især for ulige højfrekvente harmoniske indført af enfasede og trefasede ensrettere (se figur).

Den komplekse impedans af distributionsnetværket er normalt induktiv natur, derfor vil strømharmoniske i store mængder føre til betydelige spændingsfald på ledninger 100 meter lange, og disse fald kan overstige de tilladte, som et resultat af, at spændingsformen på belastningen vil blive forvrænget.

Bemærk som et eksempel, hvordan udgangsstrømmen af ​​en enfaset diodesretter ændres ved forskellige netværksimpedanser, afhængigt af modstanden af ​​inputfilteret på en strømforsynet enhed med en transformerløs input, og hvordan dette påvirker spændingsbølgeformen.

Problemet med harmoniske multipla af den tredje

Tredje, niende, femtende osv. — de højere harmoniske af netstrømmen er karakteriseret ved høje amplitudekoefficienter. Disse harmoniske opstår fra enfasede belastninger, og deres effekt på trefasede systemer er ret specifik. Hvis trefasesystemet er symmetrisk, strømmene forskydes fra hinanden med 120 grader, og den samlede strøm i den neutrale ledning er nul, - der er intet spændingsfald over ledningen.

Dette gælder i teorien for de fleste harmoniske, men nogle harmoniske er kendetegnet ved rotation af den aktuelle vektor i samme retning som den nuværende vektor af den grundlæggende harmoniske. Som følge heraf er de ulige harmoniske, der er multipla af den tredje i neutralen, overlejret på hinanden. Og da disse harmoniske er i flertal, kan den samlede neutralstrøm overstige fasestrømmene: f.eks. vil fasestrømme på 20 ampere give en neutralstrøm med en frekvens på 150 Hz ved 30 ampere.

Et kabel, der er designet uden at tage hensyn til påvirkningen af ​​harmoniske, kan overophedes, fordi dets tværsnit ifølge sindet burde være blevet forøget. Harmoniske multipla af den tredje er forskudt i et trefaset kredsløb med 360 grader i forhold til hinanden.

Resonans, interferens, støj, vibrationer, opvarmning

Distributionsnetværk har fare for resonans ved højere strøm- eller spændingsharmoniske, i disse tilfælde viser den harmoniske komponent sig at være højere end grundfrekvensen, hvilket påvirker systemkomponenter og udstyr negativt.

Datatransmissionsnetværk beliggende nær elledninger, gennem hvilke strømme med højere harmoniske strømmer udsættes for interferens, forringes informationssignalet i dem, mens jo kortere afstanden er fra ledningen til netværket, jo længere er længden af ​​deres forbindelse, jo højere er harmonisk frekvens — jo større er forvrængningsinformationssignalet.

Transformatorer og drosler begynder at støje mere på grund af højere harmoniske, elektriske motorer oplever pulseringer i den magnetiske flux, hvilket resulterer i momentvibrationer på akslen. Elektriske maskiner og transformere overophedes, og der opstår varmetab. I kondensatorer stiger den dielektriske tabsvinkel med en frekvens højere end nettet, og de begynder at overophedes, dielektrisk nedbrydning kan forekomme. Det er unødvendigt at tale om tabene i linjerne på grund af stigningen i deres temperatur ...