CC BY
214
УДК 621.31
Ю.И. Горелов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, gor [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
В.С. Авдошин, магистрант, 8-953-426-83-08, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ В СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Рассматриваются вопросы генерирования высших гармоник нелинейной нагрузкой, их влияние на работу электрооборудования.
Ключевые слова: высшие гармоники, импульсные источники питания, системы электроснабжения.
Современный этап развития техники приобрел огромный масштаб во всех структурах общества, что не могло не отразиться на работе систем электроснабжения. Обусловлено это новой технологией преобразования энергии, такой как импульсный источник питания (ИИП). В сетях низкого напряжения, практически каждый прибор потребляющий энергию имеет ИПП, т.е. является нелинейной нагрузкой. ИИП - это инверторная система, где входное напряжение сначала выпрямляется (рис. 1). Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности. В ИИП стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи.
Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки.
Рис. 1. Принципиальная схема импульсного источника питания:и-
входное напряжение; С - сглаживающий конденсатор; Я- нагрузка
Рис. 2. Импульсная форма тока и сплюснутая верхушка напряжения
при использовании ИИП
Функционирование диодного моста и сопутствующего сглаживающего конденсатора имеют очень не линейную природу. То есть форма тока переходит в не синусоидальные импульсы на максимуме эпюры напряжения. Эта не синусоидальная форма тока очень богата гармониками тока (рис. 2).
Дважды в период каждый ИИП импульсами тока подзаряжает свой конденсатор к пиковому значению напряжения питания. Между пиками напряжения конденсатор разряжается, поддерживая нагрузку, создавая в токе дополнительные искажения. Ожидаемая синусоидальная волна на пике начинает напоминать прямоугольный импульс. Сплющенная форма напряжения содержит основную выходную составляющую напряжения, плюс 3-ю, 5-ю, 7-ю, 9-ю и выше гармоники напряжения. [1]
Рассмотрим нелинейную нагрузку, т.е. когда ее полное сопротивление изменяется вместе с приложенным напряжением. Изменяя полное сопротивление устройства, искаженный ток нелинейной нагрузки не будет синусоидальным, даже при синусоидальном напряжении. Эти не синусоидальные токи содержат в себе гармонические токи. Гармонический анализ (анализ Фурье) гласит, что ИИП создает 2 импульса тока, это основная гармоника плюс все нечетные гармоники (3, 5, 7, 9, 11 и т. д.). Поэтому каждый ИИП создает гармоники тока. Каждая гармоника тока, внедренная в систему электроснабжения с нелинейной нагрузкой, будет протекать через полное сопротивление системы, вызывая падение напряжения. Величина падения напряжения подчиняется закону Ома
Уи = х
где Уи - напряжение гармоники, порядка И; - амплитуда гармоники тока И; - сопротивление системы от гармоники И.
Можно вычислить среднеквадратическое значение напряжения или искажения тока, если знаем среднеквадратическое значения всех компонент. Теорема Парсеваля говорит о том, что среднеквадратическое значение формы волны равно, квадратному корню из суммы квадратов
среднеквадратичных значений основной гармоники и всех компонент гармоник. Обычно это выражается, как процентное отношение значение основной компоненты и так называемого коэффициента гармонических искажений (Total Harmonic Distortion) или THD.
Напряжение Vthd вычисляется как
Искажения напряжения приводят к большим потерям, так как гармоники тока проходят через полное сопротивление системы (кабели, трансформаторы и т.д.) в этой точке. Это означает, что даже если уровни искажение напряжения низкие на входе у потребителя, сами они могут быть нагружены недопустимо высоко. Источники (усилители) гармоник:
тиристорные контроллеры; частотные приводы; устройства плавного пуска двигателя; конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (без фильтров); полупроводники; дуговая сварка; трансформаторы, реакторы; нелинейная нагрузка, искажающая форму кривой тока, что генерирует гармоники. [2]
Влияние резонансов на системы
Резонансы в системах электроснабжения обычно рассматриваются применительно к конденсаторам, в частности к силовым конденсаторам. При превышении гармониками тока уровней, предельно допустимых для конденсаторов, последние не ухудшают свою работу, однако через некоторое время выходят из строя.
Другой областью, где резонансы могут приводить к выходу из строя элементов оборудования, являются системы управления нагрузкой с помощью тональных частот. Для того чтобы предотвратить поглощение сигнала силовыми конденсаторами, их цепи разделяют настроенным последовательным фильтром. В случае местного резонанса гармоники тока в цепи силового конденсатора резко возрастают, что приводит к отказу настроенного конденсатора последовательного фильтра.
Влияние гармоник на вращающиеся машины
Гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора из-за вихревых токов и поверхностного эффекта при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением.
Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, приводят к дополнительным потерям.
L
Также и ток THD вычисляется как
1
В асинхронном двигателе с ротором со скошенными пазами и пульсирующими магнитными потоками в статоре и роторе высшие гармоники вызывают дополнительные потери в стали. Величина этих потерь зависит от угла скоса пазов и характеристик магнитопровода.
Среднее распределение потерь от высших гармоник характеризуется следующими данными; обмотки статора 14 %; цепи ротора 41 %; торцевые зоны 19 %; асимметричные пульсации 26 %.
За исключением потерь на асимметричные пульсации их распределение в синхронных машинах приблизительно аналогично.
Следует отметить, что соседние нечетные гармоники в статоре синхронной машины вызывают в роторе гармоникичетной частоты. Например, 5-я и 7-я гармоники в статоре вызывают в роторе гармоники тока 6-го порядка, вращающиеся в разные стороны. Дополнительные потери - одно из самых отрицательных явлений, вызываемое гармониками во вращающихся машинах. Они приводят к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе. Двигатели с ротором типа «беличья клетка» допускают более высокие потери и температуру, чем двигатели с фазным ротором. Некоторые руководства ограничивают допустимый уровень тока обратной последовательности в генераторе 10 %, а уровень напряжения обратной последовательности на вводах индукционных двигателей 2 %. Допустимость гармоник в этом случае определяют по тому, какие уровни напряжений и токов обратной последовательности они создают.
Моменты вращения, создаваемые гармониками. Гармоники тока в статоре вызывают соответствующие моменты вращения: гармоники, образующие прямую последовательность в направлении вращения ротора, а образующие обратную последовательность - в обратном направлении.
Токи гармоник в статоре машины вызывают электродвижущую силу, приводящую к появлению на валу вращающих моментов в направлении вращения магнитного поля гармоники. Обычно они очень малы и к тому же частично компенсируются из-за противоположного направления. Несмотря на это, они могут привести к вибрациям вала двигателя. [3]
Влияние гармоник на статическое оборудование
Гармоники тока в линиях приводят к дополнительным потерям мощности и падению напряжения.
В кабельных линиях гармоники напряжения увеличивают воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимального значения амплитуды. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов.
В линиях сверхвысокого напряжения гармоники напряжения по той же причине могут вызывать увеличение потерь на корону.
Влияния высших гармоник на трансформаторы
Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение
потерь на гистерезис и потерь, связанных с вихревыми токами в стали, а так же потерь в обмотках. Сокращается также срок службы изоляции.
Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в преобразовательном трансформаторе, так как наличие фильтра, присоединяемого обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоники тока в трансформаторе. Поэтому требуется устанавливать большую мощность трансформатора. Наблюдаются также локальные перегревы бака трансформатора.
Отрицательный аспект воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке.
Влияние высших гармоник на батареи конденсаторов
Дополнительные потери в электрических конденсаторах приводят к их перегреву. В общем случае конденсаторы проектируются так, чтобы допускать определенную токовую перегрузку. Конденсаторы, выпускаемые в Великобритании, допускают перегрузку 15 %, в Европе и Австралии - 30 %, в США - 80 %, в СНГ - 30 %. При превышении этих величин, наблюдающихся в условиях повышенных напряжении высших гармоник на вводах конденсаторов, последние перегреваются и выходят из строя.[3]
Влияние высших гармоник на устройства защиты энергосистем
Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Цифровые реле и микропроцессорные устройства, основанные на анализе выборки данных или точки пересечения, особенно чувствительны к гармоникам.
Чаще всего изменения характеристик несущественны. Большинство типов реле нормально работает при коэффициенте искажения до 20 %. Однако увеличение доли мощных преобразователей в сетях может в будущем изменить ситуацию.
Влияние гармоник на измерение мощности и энергии
Измерительные устройства обычно калибруются при чисто синусоидальном напряжении и увеличивают погрешность при наличии высших гармоник. Величина и направление гармоник являются важными факторами, так как знак погрешности определяется направлением гармоник.
Погрешности измерения, вызываемые гармониками, сильно зависят от типа измерительной аппаратуры. Обычные индукционные счетчики, как правило, завышают показания на несколько процентов (до 6 %) при наличии у потребителя источника искажения. Такие потребители оказываются автоматически наказанными за внесение искажений в сеть, поэтому в их собственных интересах установить соответствующие средства для подавления этих искажений.
Количественных данных о влиянии гармоник на точность измерения максимума нагрузки нет. Влияние гармоник на точность измерения
максимума нагрузки предположительно такое же, как и на точность измерения энергии.
Точное измерение энергии независимо от формы кривых тока и напряжения обеспечивается электронными счетчиками, имеющими более высокую стоимость.
Гармоники оказывают воздействие и на точность измерения реактивной мощности, которая имеет прозрачный физический смысл, и определена лишь для случая синусоидальных токов и напряжения, и на точность измерения коэффициента мощности.
Редко упоминается влияние гармоник на точность поверки и калибровки приборов в лабораториях, хотя эта сторона вопроса также важна.
Список литературы
1. Harmonic Mitigating Transformers, Hammond Power Solution Inc., 2006. 27 p.
2. Innovation, ABB review, 2011. 73 p.
3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий: 4-е изд., перераб. и доп. Москва-Энергоатомиздат, 2000. 331 c.
Y.I. Gorelov, V.S. Avdoshin
THE HIGHER HARMONICS IN THE PO WER SUPPLY SYSTEMS
Discusses the issues of generation of high harmonics of the nonlinear load-Koy, their impact on the operation of electrical equipment.
Key words: higher harmonic, Switch-Mode Power Supply, power supply systems.
Получено 19.06.12
