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:

Képlet a harmonikusok kiszámításához

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.

Hatfázisú egyenirányító

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.

egy pár hatfázisú egyenirányító csatlakozik egy pár háromfázisú transzformátorhoz

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).

Javasoljuk, hogy olvassa el:

Miért veszélyes az elektromos áram?