Источники высших гармоник.
Наибольший вклад в искажение кривой напряжения вносят:
- • преобразователи переменного тока в постоянный;
- • преобразователи частоты;
- • дуговые сталеплавильные печи;
- • электросварочные установки;
- • вентильный электропривод прокатных станов;
- • газоразрядные источники света, электронная техника.
Преобразователи переменного тока в постоянный находят широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. До 33 % электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении.
- • электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и других технически чистых металлов;
- • электротермические и элекгротехнологические установки: дуговые сталеплавильные печи постоянного тока, установки электрохимического покрытия металлов и др.;
- • прокатные станы;
- • электропривод постоянного тока;
- • зарядные устройства различного назначения и др.
Преобразовательные установки выполняются на основе силовых неуправляемых и управляемых вентилей. Последние называются тиристорными преобразователями. Мощность преобразовательных установок может достигать десятков мегавольтампер. Порядок гармоник, генерируемых преобразовательными установками:
где п — порядок гармоники; к — ряд натуральных чисел, к — 1, 2, 3, т; р — пульсность преобразователя.
Наиболее часто применяются шестипульсные схемы выпрямления (рис. 8.35), которые являются источниками нечетных гармоник порядков: 5, 7, 11, 13, 17, 19, . Преобладающими являются гармоники порядков: 5, 7, 11 и 13.
Рис. 8.35. Шести- (а) и двенадцатипульсная (б) схемы выпрямления
Шестипульсные мостовые схемы выпрямления применяются в вентильных электроприводах для питания приводных двигателей постоянного тока прокатных станов и блюмингов-слябингов. В результате экспериментальных исследований, проведенных рядом авторов, были получены неожиданные результаты. Значительный вклад в искажение кривой напряжения вносят гармоники:
- • порядков 23—38, причем напряжения этих гармоник в 5 и более раз превышают нормы [32];
- • порядков 60—80 с амплитудой напряжения до 15 % по отношению к напряжению основной частоты [33]. Такие высокочастотные гармоники, согласно [6], не учитываются, а существующие приборы контроля КЭЭ не измеряют показатели КЭЭ в таком диапазоне частот.
Двенадцатипульсные преобразователи применяются в схемах главных приводов прокатных станов, в электролизных цехах и других установках большой мощности. Преобразователи генерируют гармоники порядков 11, 13, 23, 25 и более высоких. Ток гармоники в долях полного тока преобразователя определяют по выражению
Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания
Текст научной работы на тему «Высшие гармоники в сетях электроснабжения»
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)
Рассматриваются вопросы генерирования высших гармоник нелинейной нагрузкой, их влияние на работу электрооборудования.
Ключевые слова: высшие гармоники, импульсные источники питания, системы электроснабжения.
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
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).
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.
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]
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.
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.
Что такое гармоники в электрических сетях — Инженерные технологии Коломна
Эффект гармоник кратных третьей
В трехфазных цепях они сдвинуты на 360 градусов друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали (рис. 5).
Рис.5. Процесс формирования тока нейтрали при нелинейной нагрузке
В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи. ( 2 )
Кроме указанного выше, в межфазных напряжениях трехфазной сети будут отсутствовать гармоники, кратные трем, в связи с чем соотношение между фазным и междуфазном напряжений при несинусоидальных тока становится меньше, чем .
Негативные последствия гармонических токов:
- искажение формы питающего напряжения;
- падение напряжения в распределительной сети;
- эффект гармоник, кратных трем (в трехфазных сетях);
- резонансные явления на частотах высших гармоник;
- наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;
- повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;
- вибрация в электромашинных системах.
