Felharmonikusok forrásai elektromos hálózatokban
Mivel a nemlineáris elemek változatlanul jelen vannak a modern elektromos hálózatokban, különösen az ipari hálózatokban, ennek következtében áramgörbék, feszültséggörbék torzulnak, magasabb harmonikusok jelennek meg a hálózatokban.
Először is, a nem szinuszosság a statikus átalakítók, majd - szinkron generátorok, hegesztőgépek, fénycsövek, ívkemencék, transzformátorok, motorok és egyéb nemlineáris terhelések miatt.
Matematikailag az áram- és feszültséggörbe nem szinuszosságát a hálózati frekvencia főharmonikusának és annak többszörösei magasabb felharmonikusainak összegeként ábrázolhatjuk. A harmonikus elemzés trigonometrikus Fourier-sort eredményez, és a kapott harmonikusok frekvenciái és fázisai könnyen kiszámíthatók a következő képlettel:
Valójában a háromfázisú hálózatban a nem szinuszos feszültségek és áramok eredő kombinációja lehet aszimmetrikus vagy szimmetrikus.A három harmonikus többszöröseihez (k = 3n) tartozó nem szinuszos feszültségek szimmetrikus rendszere nulla sorrendű feszültségrendszer kialakulásához vezet.
Továbbá k = 3n + 1 esetén a háromfázisú hálózat harmonikusa negatív sorrendű feszültségek szimmetrikus rendszerét hozza létre. Tehát a nem szinuszos feszültségek szimmetrikus rendszerének minden k-harmonikusa közvetlen, fordított vagy nulla sorrendű fázisfeszültségek szimmetrikus rendszerét eredményezi.
A gyakorlatban azonban a fázis nem szinuszos feszültségek rendszere aszimmetrikusnak bizonyul. Így, háromfázisú transzformátorok mágneses magjai önmagukban nemlineárisak és aszimmetrikusak, mivel a középső és a végső fázis mágneses pályáinak hossza 1,9-szeres tényezővel különbözik. Ennek eredményeként a középső fázis mágnesező áramainak effektív értékei 1,3-1,55-szer kisebbek, mint a végső fázisok mágnesező áramainak értékei.
Az aszimmetrikus harmonikusok szimmetrikus komponensekre bomlanak fel, amikor minden k-harmonikus fázisfeszültségek aszimmetrikus rendszerét alkotja, és jellemzően három szekvencia összetevőit tartalmazza – nulla, előre és fordított.
A háromfázisú, szigetelt semleges hálózatokat a nulla sorrendű komponensek hiánya jellemzi mindegyik fázisban, feltéve, hogy nincs földzárlat. Ennek eredményeként a fázisáramokban nincs három harmonikus többszöröse, de vannak más harmonikusok, amelyek fordított és pozitív sorrendű komponenseket tartalmaznak.
Az egyenáramú oldalon lévő teljesítmény-egyenirányítók általában nagy induktivitással rendelkeznek, amelyek egyenáramú géptekercsek és simítóreaktorok.Ezek az induktivitások sokszor nagyobbak, mint a váltakozó áramú oldal egyenértékű induktivitása, ezért az ilyen egyenirányítók a váltóáramú hálózathoz képest nagyobb harmonikus áramforrásként viselkednek. A harmonikus frekvenciájú hálózatba irányított áramnak olyan értéke van, amely nem függ a táphálózat paramétereitől.
A háromfázisú elektromos hálózatoknál jellemző, hogy 6 szelephez háromfázisú, teljes hullámú egyenirányítókat használnak ilyen átalakítókként, amelyekről hatimpulzusos vagy hatfázisúnak nevezik. Ebben az esetben az egyes fázisok áramgörbéje a következő egyenlettel írható le (egy A fázis áramára):
Látható, hogy a fázisáramok csak páratlan felharmonikusokat tartalmaznak, amelyek nem többszörösei a háromnak, és ezen felharmonikusok előjelei váltakoznak: 6k + 1. rendű pozitív és 6k-1. rendű negatív harmonikusok.
Ha tizenkét fázisú egyenirányítót használunk, ha egy pár hatfázisú egyenirányítót egy pár háromfázisú transzformátorhoz csatlakoztatunk (a szekunder feszültségek fáziseltolása pi / 6-kal van), akkor a harmonikusok 12k + 1 és 12k- 1-rendelések jelennek meg, ill.
Az egyenirányítók használata előtt csak a transzformátorok és a különféle elektromos gépek jelentették a magasabb felharmonikusok fő forrását az elektromos hálózatokban. De még ma is a transzformátorok az elektromos hálózatok leggyakoribb elemei.
A transzformátorok magasabb felharmonikusok létrehozásának oka a mágneses áramkörök nemlineáris mágnesezési görbéje és az állandó jelenléte. hiszterézis hurkok… A nemlineáris mágnesezési görbe és a hiszterézis hurok torzítja az eredeti szinuszos terhelés nélküli mágnesező áramot, és ennek eredményeként magasabb felharmonikusok keletkeznek abban az áramban, amelyet a transzformátor a hálózatból vesz fel.
A 110 kV-os transzformátorok üresjárati árama nem haladja meg az 1% -ot, a 6-10 kV-os transzformátorok pedig legfeljebb 2-3%. Ezek kis áramok, és aktív veszteségeik a mágneses körben elhanyagolhatóak. A mágnesezési görbe számít, nem a hiszterézis hurok.
A mágnesezési görbe szimmetrikus, és a Fourier-soros kiterjesztésben még csak harmonikusok sincsenek. A mágnesező áram torzítását páratlan harmonikusok okozzák, amelyek között három többszöröse található. A harmadik harmonikus különösen hangsúlyos, de az ötödik és a hetedik harmonikus is a legjelentősebb.
Az EMF-harmonikusok és az áramharmonikusok is jellemzőek a motorokra, szinkron és aszinkron egyaránt… Ezeket a harmonikusokat ugyanazok a jelenségek okozzák, mint a transzformátorok által generált áramharmonikusokat – az állórész és a forgórész anyagának mágnesezési görbéjének nemlinearitása.
Az elektromos motorok áramharmonikusainak frekvenciaspektruma a transzformátorokhoz hasonlóan páratlan felharmonikusokat tartalmaz, amelyek között nyilvánvalóan a három többszöröse. A legjelentősebb itt a 3., 5. és 7. harmonikus.
A transzformátorokhoz hasonlóan a durva számítások lehetővé teszik, hogy a 3., 5. és 7. felharmonikus áramának százalékos arányát a harmadik harmonikusnál 40%, az ötödik harmonikusnál 30%, a hetedik harmonikusnál 20%-ban vegyük (az átharmonikusok százalékos aránya). az üresjárati áram).