Redenen voor het verschijnen van hogere harmonischen in moderne energiesystemen

De elektrische apparatuur van de moderne wereld wordt steeds complexer, vooral voor IT-technologieën. Vanwege deze trend moeten power quality assurance-systemen aan deze eisen voldoen: ze moeten eenvoudigweg gemakkelijk kunnen omgaan met fluctuaties, spanningspieken, spanningsdips, ruis, impulsruis, enz., zodat het industriële netwerk en de bijbehorende gebruikers normaal kunnen functioneren.

Het veranderen van de netspanning als gevolg van harmonischen veroorzaakt door niet-lineaire belastingen is een van de belangrijkste problemen die moeten worden opgelost. In dit artikel zullen we dieper ingaan op de aspecten van dit probleem.

Wat is de essentie van het probleem

Het grootste deel van de huidige kantoorapparatuur, computers, kantoor- en multimedia-apparatuur zijn over het algemeen niet-lineaire belastingen, die, in grote hoeveelheden aangesloten op het gemeenschappelijke stroomnetwerk, de vorm van de netwerkspanning vervormen.

Deze vervormde spanning wordt pijnlijk waargenomen door andere elektrische apparaten en verstoort soms aanzienlijk hun normale werking: het veroorzaakt storingen, oververhitting, verbreekt de synchronisatie, veroorzaakt interferentie in datatransmissienetwerken, — in het algemeen kan niet-sinusvormige wisselspanning een hele reeks apparaten veroorzaken , processen en overlast voor mensen, inclusief materiaal.

De spanningsvervorming als zodanig wordt beschreven door een paar coëfficiënten: de sinusoïdale factor, die de verhouding weergeeft van de rms-waarde van de hogere harmonischen tot de rms-waarde van de fundamentele harmonische van de netwerkspanning, en de load crest-factor, gelijk aan een verhouding van het piekstroomverbruik tot de effectieve belastingsstroom.

Waarom zijn hogere harmonischen gevaarlijk?

De effecten veroorzaakt door de manifestatie van hogere harmonischen kunnen volgens de duur van de blootstelling worden onderverdeeld in onmiddellijke en langdurige. Het is gebruikelijk om ogenblikkelijk te noemen: vormvervorming van de voedingsspanning, spanningsval in het distributienetwerk, harmonische effecten inclusief harmonische frequentieresonantie, schadelijke interferentie in datatransmissienetwerken, ruis in het akoestische bereik, trillingen van machines. Problemen op de lange termijn zijn onder meer: ​​overmatige warmteverliezen in generatoren en transformatoren, oververhitting van condensatoren en distributienetwerken (draden).

Vorm van harmonischen en lijnspanning

Significante piekstromen in de helft van de netwerksinusgolf leiden tot een toename van de crestfactor.Hoe hoger en korter de piekstroom, hoe sterker de vervorming, terwijl de kamfactor afhangt van de capaciteiten van de stroombron, van zijn interne weerstand - of deze in staat is om zo'n piekstroom te leveren. Sommige bronnen moeten worden overschat in verhouding tot hun nominale vermogen, er moeten bijvoorbeeld speciale wikkelingen worden gebruikt in generatoren.

Maar ononderbroken voedingen (UPS) kunnen dit probleem veel beter aan: dankzij de dubbele conversie kunnen ze de belastingsstroom op elk moment regelen en regelen met behulp van PWM, wat problemen door de hoge kamcoëfficiënt van de stroom voorkomt . Met andere woorden, de hoge crest-factor is geen probleem voor een kwaliteits-UPS.

Hogere harmonischen en spanningsval

Zoals hierboven opgemerkt, kunnen UPS'en hoge piekfactoren goed aan en is hun golfvormvervorming niet groter dan 6%. Aansluitdraden hier doen er in de regel niet toe, ze zijn vrij kort. Maar vanwege de overvloed aan harmonischen in de lijnspanning, zal de stroomgolfvorm afwijken van sinusoïdaal, vooral voor oneven hoogfrequente harmonischen die worden geïntroduceerd door enkelfasige en driefasige gelijkrichters (zie afbeelding).

De complexe impedantie van het distributienetwerk is meestal inductief karakterdaarom zullen stroomharmonischen in grote hoeveelheden leiden tot aanzienlijke spanningsdalingen op lijnen met een lengte van 100 meter, en deze dalingen kunnen de toegestane waarden overschrijden, waardoor de spanningsvorm op de belasting zal worden vervormd.

Merk bijvoorbeeld op hoe de uitgangsstroom van een enkelfasige diodegelijkrichter verandert bij verschillende netwerkimpedanties, afhankelijk van de weerstand van het ingangsfilter van een gevoed apparaat met een transformatorloze ingang, en hoe dit de spanningsgolfvorm beïnvloedt.

Het probleem van harmonische veelvouden van de terts

Derde, negende, vijftiende, enz. — de hogere harmonischen van de netstroom worden gekenmerkt door hoge amplitudecoëfficiënten. Deze harmonischen komen voort uit enkelfasige belastingen en hun effect op driefasige systemen is vrij specifiek. Als het driefasensysteem is symmetrisch, de stromen zijn 120 graden van elkaar verschoven en de totale stroom in de neutrale draad is nul, — er is geen spanningsval over de draad.

Dit geldt in theorie voor de meeste harmonischen, maar sommige harmonischen worden gekenmerkt door rotatie van de stroomvector in dezelfde richting als de stroomvector van de fundamentele harmonische. Als gevolg hiervan worden in de neutrale de oneven harmonischen die veelvouden zijn van de terts over elkaar heen gelegd. En aangezien deze harmonischen in de meerderheid zijn, kan de totale neutrale stroom de fasestromen overschrijden: fasestromen van 20 ampère geven bijvoorbeeld een neutrale stroom met een frequentie van 150 Hz bij 30 ampère.

Een kabel die is ontworpen zonder rekening te houden met de invloed van harmonischen, kan oververhit raken omdat de doorsnede volgens de geest groter had moeten zijn. Harmonische veelvouden van de derde worden in een driefasig circuit 360 graden ten opzichte van elkaar verschoven.

Resonantie, interferentie, geluid, trillingen, verwarming

Distributienetwerken hebben gevaar voor resonantie bij hogere stroom- of spanningsharmonischen blijkt in deze gevallen de harmonische component hoger te zijn dan de fundamentele frequentie, wat een negatieve invloed heeft op systeemcomponenten en apparatuur.

Datatransmissienetwerken in de buurt van hoogspanningslijnen waardoor stromen met hogere harmonischen onderhevig zijn aan interferentie, het informatiesignaal daarin verslechtert, en hoe korter de afstand van de lijn tot het netwerk, hoe groter de lengte van hun verbinding, hoe hoger de harmonische frequentie — hoe groter het vervormingsinformatiesignaal.

Transformatoren en smoorspoelen gaan meer geluid maken door hogere harmonischen, elektromotoren ervaren pulsaties in de magnetische flux, resulterend in koppeltrillingen op de as. Elektrische machines en transformatoren raken oververhit en er treden warmteverliezen op. In condensatoren neemt de diëlektrische verlieshoek toe met een frequentie hoger dan het rooster, en ze beginnen oververhit te raken, diëlektrische doorslag kan optreden. Het is niet nodig om te praten over de verliezen in de leidingen als gevolg van de stijging van hun temperatuur ...