A magasabb harmonikusok megjelenésének okai a modern villamosenergia-rendszerekben
A modern világ elektromos berendezései egyre összetettebbek, különösen az informatikai technológiák tekintetében. Ebből a tendenciából adódóan az energiaminőség-biztosítási rendszereknek meg kell felelniük ezeknek a követelményeknek: egyszerűen kezelniük kell az ingadozásokat, túlfeszültségeket, feszültségeséseket, zajokat, impulzuszajt stb., hogy az ipari hálózat és annak felhasználói normálisan működhessenek.
A nemlineáris terhelések okozta felharmonikusok miatti hálózati feszültség átalakulása az egyik fő megoldandó probléma. Ebben a cikkben ennek a problémának a részleteit vizsgáljuk meg.
Mi a probléma lényege
A jelenlegi irodai berendezések, számítógépek, irodai, multimédiás berendezések túlnyomó részét általában nem lineáris terhelések teszik ki, amelyek a közös áramhálózatba hatalmas mennyiségben kapcsolva torzítják a hálózati feszültség alakját.
Ezt a torz feszültséget más elektromos készülékek fájdalmasan érzékelik, és esetenként jelentősen megzavarják azok normál működését: meghibásodást, túlmelegedést, szinkronizálást, interferenciát kelt az adatátviteli hálózatokban, — általában a nem szinuszos váltakozó feszültség sokféle berendezést okozhat. , folyamatokat és kényelmetlenséget okoz az embereknek, beleértve az anyagokat is.
A feszültségtorzulást mint olyat egy együtthatópár írja le: a szinuszos tényező, amely a magasabb harmonikusok effektív értékének a hálózati feszültség alapharmonikusának effektív értékéhez viszonyított arányát tükrözi, valamint a terhelési csúcstényező, amely egyenlő a csúcsáramfelvétel és az effektív terhelési áram aránya.
Miért veszélyesek a magasabb harmonikusok?
A magasabb harmonikusok megnyilvánulása által okozott hatások az expozíció időtartama szerint azonnali és hosszú távúra oszthatók. Gyakori a pillanatnyi említés: tápfeszültség alaktorzulás, elosztóhálózati feszültségesés, harmonikus hatások, beleértve a harmonikus frekvencia rezonanciát, káros interferencia adatátviteli hálózatokban, zaj az akusztikus tartományban, gépek rezgése. A hosszú távú problémák a következők: túlzott hőveszteség a generátorokban és transzformátorokban, a kondenzátorok és az elosztó hálózatok (vezetékek) túlmelegedése.
Harmonikusok és vonali feszültség alakja
A hálózati szinuszhullám felében jelentős csúcsáramok a csúcstényező növekedéséhez vezetnek.Minél nagyobb és rövidebb a csúcsáram, annál erősebb a torzítás, míg a fésűtényező az áramforrás képességeitől, belső ellenállásától függ - képes-e ekkora csúcsáramot leadni. Egyes forrásokat túl kell értékelni a névleges teljesítményükhöz képest, például speciális tekercseket kell használni a generátorokban.
De a szünetmentes tápegységek (UPS) sokkal jobban megbirkóznak ezzel a problémával: a kettős átalakításnak köszönhetően bármikor képesek szabályozni a terhelési áramot, és szabályozni a PWM segítségével, ami elkerüli az áram magas fésűs együtthatója miatti problémákat. . Más szóval, a magas csúcstényező nem jelent problémát egy minőségi UPS-nek.
Magasabb harmonikusok és feszültségesés
Amint fentebb megjegyeztük, az UPS-ek jól kezelik a magas csúcstényezőket, és hullámforma-torzulásuk nem haladja meg a 6%-ot. A csatlakozó vezetékek itt általában nem számítanak, meglehetősen rövidek. De a vonali feszültségben lévő harmonikusok bősége miatt az áram hullámalakja eltér a szinuszostól, különösen az egyfázisú és háromfázisú egyenirányítók által bevezetett páratlan nagyfrekvenciás harmonikusok esetében (lásd az ábrát).
Az elosztóhálózat komplex impedanciája általában induktív természet, ezért az áramharmonikusok nagy mennyiségben jelentős feszültségesést okoznak a 100 méter hosszú vezetékeken, és ezek a csökkenések meghaladhatják a megengedettet, aminek következtében a terhelés feszültségalakja torzul.
Példaként vegye figyelembe, hogy az egyfázisú dióda egyenirányító kimenő árama hogyan változik különböző hálózati impedanciák mellett, a transzformátor nélküli bemenettel rendelkező tápellátású eszköz bemeneti szűrőjének ellenállásától függően, és ez hogyan befolyásolja a feszültség hullámformáját.
A harmónia többszöröseinek problémája
Harmadik, kilencedik, tizenötödik stb. — a hálózati áram magasabb harmonikusait nagy amplitúdó együttható jellemzi. Ezek a harmonikusok egyfázisú terhelésekből származnak, és hatásuk a háromfázisú rendszerekre meglehetősen specifikus. Ha a háromfázisú rendszer szimmetrikus, az áramok 120 fokkal eltolódnak egymástól, és a nulla vezetékben a teljes áramerősség nulla, — a vezetéken nincs feszültségesés.
Ez elméletben igaz a legtöbb harmonikusra, de néhány harmonikusra jellemző, hogy az áramvektor az alapharmonikus áramvektorával azonos irányban forog. Ennek eredményeként a semlegesben a páratlan harmonikusok, amelyek a harmadik többszörösei, egymásra helyezkednek. És mivel ezek a harmonikusok vannak többségben, a teljes nullaáram meghaladhatja a fázisáramokat: mondjuk a 20 amperes fázisáramok 150 Hz frekvenciájú semleges áramot adnak 30 amper mellett.
A felharmonikusok hatásának figyelembevétele nélkül tervezett kábel túlmelegedhet, mert az ész szerint a keresztmetszetét meg kellett volna növelni. A harmadik harmonikus többszörösei egy háromfázisú áramkörben 360 fokkal vannak eltolva egymáshoz képest.
Rezonancia, interferencia, zaj, rezgés, fűtés
Az elosztó hálózatok rendelkeznek rezonancia veszélye nagyobb áram- vagy feszültségharmonikusoknál ezekben az esetekben a harmonikus komponens az alapfrekvenciánál nagyobbnak bizonyul, ami negatívan hat a rendszerelemekre és berendezésekre.
Azok az adatátviteli hálózatok, amelyek olyan távvezetékek közelében helyezkednek el, amelyeken nagyobb felharmonikusú áramok áramlanak, interferenciának vannak kitéve, az információs jel romlik bennük, míg minél kisebb a távolság a vonaltól a hálózatig, annál hosszabb a kapcsolatuk, annál nagyobb a harmonikus frekvencia – minél nagyobb a torzítás információs jele.
A transzformátorok és fojtótekercsek a magasabb felharmonikusok miatt kezdenek nagyobb zajt kiadni, a villanymotorok pulzációt tapasztalnak a mágneses fluxusban, ami nyomatékrezgéseket okoz a tengelyen. Az elektromos gépek és transzformátorok túlmelegednek és hőveszteség lép fel. A kondenzátorokban a dielektromos veszteség szöge a rácsnál nagyobb frekvenciával növekszik, és túlmelegedni kezdenek, dielektromos törés léphet fel. Felesleges beszélni a vezetékek hőmérséklet-emelkedéséből adódó veszteségekről ...