Гармоники в электрических сетях для чайников

Причины появления гармонических искажений

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Содержание

• 1 Происхождение гармоник
  • 1.1 Возмущения, создаваемые нелинейными нагрузками: гармоники тока и напряжения
  • 1.2 Протекание несинусоидальных токов в распределительных сетях

Присутствие гармоник говорит об искаженной форме тока или напряжения. Искажение же формы тока или напряжения означает наличие возмущений в распределительной сети и ухудшение качества поставляемой электроэнергии.

Источниками гармоник токов являются нелинейные нагрузки, подсоединенные к распределительной сети. Протекание гармоник токов по сети, имеющей некоторое полное сопротивление, приводит к появлению гармоник напряжений и соответственно к искажению формы питающего напряжения.

Происхождение гармоник

Устройства и системы, порождающие гармоники, имеются во всех секторах экономики, т.е. в промышленности, коммерческом секторе и жилищном хозяйстве. Гармоники порождаются нелинейными нагрузками, т.е. нагрузками, потребляющими ток с формой волны, отличающейся от формы волны питающего напряжения.

Примеры нелинейных нагрузок:

• промышленное оборудование (сварочные машины, электродуговые печи, индукционные печи и выпрямители);
• преобразователи частоты для асинхронных двигателей или двигателей постоянного тока;
• источники бесперебойного питания;
• офисное оборудование (компьютеры, фотокопировальные машины, факсимильные аппараты и др.);
• бытовые электроприборы (телевизоры, микроволновые печи, люминесцентные лампы);
• некоторые устройства с магнитным насыщением (трансформаторы).

Возмущения, создаваемые нелинейными нагрузками: гармоники тока и напряжения

Нелинейные нагрузки потребляют токи гармоник, которые поступают в распределительную сеть. Гармоники напряжения вызываются протеканием токов гармоник по сопротивлениям питающих цепей (по трансформатору и распределительной сети для случаев аналогичных тому, который показан на рис. M2).

Рис. M2 : Однолинейная схема, показывающая сопротивление питающей цепи для гармоники h-го порядка

Реактивное сопротивление проводника возрастает с увеличением частоты тока, протекающего по этому проводнику. Поэтому для каждой гармоники тока (h-го порядка) в цепи питания существует некоторое полное сопротивление Zh.

Когда по сопротивлению Zh протекает ток гармоники h-го порядка, то, по закону Ома, он создает напряжение гармоники
Uh = Zh x Ih. В результате этого форма напряжения в точке B искажается и отличается от синусоидальной. Все нагрузки, питающиеся через точку B, получают напряжение искаженной формы.

Для тока данной гармоники это искажение пропорционально сопротивлению распределительной сети.

Протекание несинусоидальных токов в распределительных сетях

Можно считать, что нелинейные нагрузки генерируют токи высших гармоник в распределительную сеть в направлении источника питания.

На рис. M3 и M4 показаны схемы электроустановки, «загрязненные» гармониками. В схеме, изображенной на рис. M3, протекает ток частотой 50 Гц, а на рис. M4 – ток частотой гармоники h-го порядка.

Рис. M3 : Схема электроустановки, питающей нелинейную нагрузку, в которой протекает только ток основной
частоты 50 Гц

Рис. M4 : Схема той же электроустановки, в которой протекает только ток h-й гармоники

При питании нелинейной нагрузки возникает ток частотой 50 Гц (как показано на рис. M3), к которому добавляются токи Ih (рис. M4), соответствующие каждой h-й гармонике.

По-прежнему считая, что нагрузки генерируют токи высших гармоник в распределительную сеть в направлении источника питания, можно построить схему протекания токов разных гармоник в этой сети (рис. M5).

Примечание: хотя на данной схеме определенные нагрузки генерируют токи гармоник в распределительную сеть, другие нагрузки могут поглощать такие токи.

Рис. M5 : Протекание токов гармоник в распределительной сети

Основные экономические последствия гармоник для электроустановок:

• повышенный расход энергии;
• преждевременное старение оборудования;
• производственные убытки.zh:电力谐波原因

Вопрос — ответ|Гармоники

Гармонические колебания – искажения синусоидальной формы напряжения и тока. Эти явления возникают в сетях переменного тока при переходных процессах, подключении нелинейной нагрузки. Появление гармоник вызывают:

• Мощные промышленные выпрямители.
• Индукционные и дуговые плавильные печи.
• Люминесцентные и газоразрядные лампы.
• Трансформаторы.
• Оборудование для электросварки.
• Источники бесперебойного электропитания.
• Электродвигатели.
• Микроволновые печи и другая бытовая техника.
• Преобразователи частоты.

В процессе работы этого оборудования возникает паразитная ЭДС, которая накладывается на синусоидальный сигнал. В результате появляются провалы, скачки и другие искажения.

Влияние гармоник на электрооборудование

Гармонические колебания в сети оказывают негативное влияние на работу электрооборудования. К ним относятся:

• Асимметрия в трехфазных сетях при возникновении искажений на одной или двух фазах. Это вызывает ненормальные режимы работы двигателей, другой электротехники.
• Ложное срабатывание защиты. На гармоники реагируют автоматические выключатели, релейные схемы защиты, отключающие напряжение в распределительной сети.
• Избыточный нагрев обмоток электрических машин, трансформаторов, проводов.
• Увеличение уровня шума в слаботочных сетях. Про частом переходе синусоиды через ноль в соседних контрольных кабелях возникают наводки, искажающие сигнал.
• Увеличение тока нейтрали. Гармонические искажения вызывают падение напряжения в нейтральном и фазных проводах, нагреву нулевого проводника.

Последствия влияния гармоник

Искажения формы переменного тока и напряжения снижают срок службы изоляции, конденсаторов, качество напряжения в сети, увеличиваиют погрешности средств измерений. Это приводит:

• К уменьшению межремонтных промежутков электрооборудования и увеличению эксплуатационных затрат.
• К частым остановкам технологического оборудования. В результате ложного срабатывания схем защиты прерываются производственные процессы.
• К авариям электроустановок. В результате падений напряжения и избыточного нагрева возникает пробой изоляции и короткие замыкания.

Высшие гармоники вызывают значительные экономические убытки.

Способы защиты от высших гармоник для частотных преобразователей

Преобразователи частоты содержат инверторы и ШИМ-модуляторы, которые являются источниками искажения напряжения в сети. Это отрицательно сказывается как на работе электродвигателей, так и на качестве электроэнергии в сети. Для защиты от этого явления используют различные фильтры.

Эти устройства устанавливают во входной и выходной цепях преобразователей частоты. Для защиты от искажений формы напряжения и тока применяют:

• Сетевые дроссели. Эти устройства защищают от импульсных перепадов напряжения, несимметричной нагрузке, продлевают срок службы конденсаторов звена постоянного тока.
• Электромагнитные фильтры. Устанавливаются во входной силовой цепи преобразователя. Защищают сеть от гармоник, генерируемых инвертором ПЧ.
• Синусные и dU/dt фильтры. Эти устройства устанавливают в частотно-регулируемом приводе с возможностью рекупации электроэнергии, в цепях электрических машин с частыми пусками, отключениями и реверсами, при использовании для подключения неэкранирумых кабелей.

При выборе фильтра необходимо убедиться, что конкретная модель преобразователя частоты совместима с типом защитного устройства. Эта информация указана в технической документации ПЧ. Компания «Данфосс» выпускает несколько линеек частотных преобразователей со встроенными фильтрами высших гармоник. Это избавляет от необходимости рассчитывать характеристики устройств и расходов на покупку дополнительного оборудования.

FAQ по гармоникам

Что такое гармоники?

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной. Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Основной частотой 50 Гц(т.е. 1-я гармоника = 50 Гц 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Когда возникают гармоники?

Гармонические искажения возникают при работе нелинейных потребителей тока (в том числе частотных преобразователей).

Какие гармоники не появляются от работы ПЧ?

При работе от преобразователя частоты не появляются четные гармоники.

Чем опасны гармоники по току?

Гармонические искажения тока вызывают перегрев силового трансформатора, повышенное потребление реактивной мощности, увеличение потерь в меди силовых проводов и трансформатора. Они являются причиной появления гармоник по напряжению.

Чем опасны гармоники по напряжению?

Наличие гармонических искажений по напряжению приводят к выходу из строя оборудования.

Как бороться с гармониками?

Гармонические искажения можно уменьшать при помощи входных фильтров. Например, в серии VLT HVAC Basic FC 101 имеется встроенный фильтр гармоник на звене постоянного тока.