Yliaaltojen lähteet sähköverkoissa

Koska epälineaarisia elementtejä on poikkeuksetta läsnä nykyaikaisissa sähköverkoissa, erityisesti teollisuusverkoissa, minkä seurauksena virta- ja jännitekäyrät vääristyvät, verkoissa esiintyy korkeampia harmonisia.

Ensinnäkin ei-sinimuotoisuus johtuu staattisten muuntimien läsnäolosta, sitten - synkronisista generaattoreista, hitsauskoneista, loistelampuista, kaariuuneista, muuntajista, moottoreista ja muista epälineaarisista kuormista.

Matemaattisesti virta- ja jännitekäyrien ei-siniaalisuus voidaan esittää verkkotaajuuden pääharmonisen ja sen yliaaltojen, jotka ovat sen kerrannaisia, summana. Harmonisen analyysin tuloksena saadaan trigonometrinen Fourier-sarja, ja tuloksena olevien harmonisten taajuuksien ja vaiheiden arvot voidaan helposti laskea kaavalla:

Itse asiassa tuloksena oleva ei-sinimuotoisten jännitteiden ja virtojen yhdistelmä kolmivaiheisessa verkossa voi olla epäsymmetrinen tai symmetrinen.Ei-sinimuotoisten jännitteiden symmetrinen järjestelmä kolmen harmonisen kerrannaisille (k = 3n) johtaa nollasekvenssin jännitteiden järjestelmän muodostumiseen.

Lisäksi, kun k = 3n + 1, harmoninen kolmivaiheisessa verkossa muodostaa symmetrisen negatiivisen sarjan jännitteiden järjestelmän. Joten jokainen ei-sinimuotoisten jännitteiden symmetrisen järjestelmän k-harmoninen johtaa symmetriseen vaihejännitteiden järjestelmään, jossa on suora, käänteinen tai nollasekvenssi.

Käytännössä ei-sinimuotoisten vaihejännitteiden järjestelmä osoittautuu kuitenkin epäsymmetriseksi. Niin, kolmivaiheisten muuntajien magneettisydämet itse ne ovat epälineaarisia ja epäsymmetrisiä, koska keski- ja loppuvaiheen magneettireittien pituudet eroavat kertoimella 1,9. Tämän seurauksena keskivaiheen magnetointivirtojen teholliset arvot ovat 1,3 - 1,55 kertaa pienemmät kuin loppuvaiheiden magnetointivirtojen arvot.

Epäsymmetriset harmoniset hajoavat symmetrisiksi komponenteiksi, kun jokainen k-harmoninen muodostaa epäsymmetrisen vaihejännitteen järjestelmän ja sisältää tyypillisesti kolmen sekvenssin komponentteja - nolla-, myötä- ja taaksepäin.

Kolmivaiheisille verkoille, joissa on eristetty nolla, on ominaista nollasekvenssikomponenttien puuttuminen kussakin vaiheessa edellyttäen, että niissä ei ole maasulkuja. Tämän seurauksena vaihevirroissa ei ole kolmen harmonisen kerrannaisia, mutta on muita harmonisia, jotka sisältävät käänteisen ja positiivisen sekvenssin komponentteja.

Tasasuuntaajilla DC-puolella on pääsääntöisesti suuret induktanssit, jotka ovat DC-konekäämit ja tasoitusreaktorit.Nämä induktanssit ovat monta kertaa suurempia kuin vaihtovirtapuolen vastaava induktanssi, joten tällaiset tasasuuntaajat vaihtovirtaverkkoon nähden käyttäytyvät korkeamman harmonisen virran lähteinä. Harmonisella taajuudella verkkoon suunnatulla virralla on arvo, joka ei riipu syöttöverkon parametreista.

Kolmivaiheisille sähköverkoille on ominaista käyttää kolmivaiheisia täysaaltotasasuuntaajia 6 venttiilille sellaisina muuntimina, joista niitä kutsutaan kuusipulssi- ​​tai kuusivaiheiseksi. Jokaisen vaiheen virtakäyrä voidaan tässä tapauksessa kuvata yhtälöllä (yhden vaiheen A virralle):

Voidaan nähdä, että vaihevirrat sisältävät vain parittomia harmonisia, jotka eivät ole kolmen kerrannaisia, ja näiden yliaaltojen merkit vuorottelevat: positiiviset harmoniset 6k + 1. kertaluvun ja negatiiviset harmoniset 6k-1.

Jos käytetään 12-vaiheista tasasuuntaajaa, kun pari kuusivaiheista tasasuuntaajaa on kytketty pariin kolmivaiheisia muuntajia (toisiojännitteet ovat vaihesiirrettyjä pi / 6:lla), harmoniset 12k + 1 ja 12k- 1-tilaukset ilmestyvät vastaavasti.

Ennen tasasuuntaajien käyttöä vain muuntajat ja erilaiset sähkökoneet olivat pääasiallinen korkeampien harmonisten lähde sähköverkoissa. Mutta vielä nykyäänkin muuntajat ovat sähköverkkojen yleisimpiä elementtejä.

Syy, miksi muuntajat tuottavat korkeampia harmonisia, on magneettipiirien epälineaarinen magnetointikäyrä ja jatkuva läsnäolo. hystereesisilmukat… Epälineaarinen magnetointikäyrä ja hystereesisilmukka synnyttävät alkuperäisen sinimuotoisen kuormittamattoman magnetointivirran vääristymiä ja tuloksena on korkeammat harmoniset virrassa, jonka muuntaja ottaa verkosta.

110 kV luokan muuntajilla on enintään 1 % tyhjävirtaa ja 6-10 kV luokan muuntajilla enintään 2-3 %. Nämä ovat pieniä virtoja ja niiden aktiiviset häviöt magneettipiirissä ovat merkityksettömiä. Se on magnetointikäyrä, joka ratkaisee, ei hystereesisilmukka.

Magnetointikäyrä on symmetrinen eikä Fourier-sarjan laajennuksessa ole edes harmonisia. Magnetointivirran vääristymisen aiheuttavat parittomat harmoniset, joiden joukossa on kolmen kerrannaisia. Kolmas harmoninen on erityisen voimakas, mutta viides ja seitsemäs harmoninen ovat myös merkittävimmät.

EMF-aallot ja virtaharmoniset ovat myös tyypillisiä moottoreille, sekä synkroninen että asynkroninen… Nämä harmoniset aiheuttavat samat ilmiöt kuin muuntajien tuottamat virtaharmoniset – materiaalien, joista staattori ja roottori on valmistettu, magnetointikäyrän epälineaarisuudesta.

Sähkömoottoreiden, kuten muuntajienkin, virtaharmonisten taajuusspektri sisältää parittomat harmoniset, joiden joukossa on ilmeisesti kolmen kerrannaisia. Merkittävimmät tässä ovat 3., 5. ja 7. harmoninen.

Kuten muuntajien tapauksessa, karkeat laskelmat antavat meille mahdollisuuden ottaa 3., 5. ja 7. harmonisen virtojen prosenttiosuudeksi 40 % kolmannelle harmoniselle, 30 % viidennelle harmoniselle ja 20 % seitsemännelle harmoniselle (prosentti tyhjäkäyntivirta).