Syitä korkeampien harmonisten esiintymiseen nykyaikaisissa sähköjärjestelmissä
Nykymaailman sähkölaitteet ovat yhä monimutkaisempia, erityisesti IT-teknologioiden osalta. Tästä trendistä johtuen sähkön laadunvarmistusjärjestelmien tulee täyttää nämä vaatimukset: niiden on yksinkertaisesti selvitettävä heilahteluja, ylijännitteitä, jännitehäviöitä, melua, impulssikohinaa jne., jotta teollisuusverkko ja sen käyttäjät voivat toimia normaalisti.
Epälineaaristen kuormien aiheuttama verkkojännitteen uudelleenmuotoilu on yksi tärkeimmistä ratkaistavista ongelmista. Tässä artikkelissa tarkastelemme tämän ongelman perusteellisia puolia.
Mikä on ongelman ydin
Suurin osa nykyisistä toimistolaitteista, tietokoneista, toimisto-, multimedialaitteista on yleensä epälineaarisia kuormia, jotka valtavia määriä yhdistettynä yhteiseen sähköverkkoon vääristävät verkkojännitteen muotoa.
Muut sähkölaitteet havaitsevat tämän vääristyneen jännitteen tuskallisesti ja häiritsee joskus merkittävästi niiden normaalia toimintaa: se aiheuttaa toimintahäiriöitä, ylikuumenemista, katkaisee synkronoinnin, aiheuttaa häiriöitä tiedonsiirtoverkkoihin, — yleensä ei-sinimuotoinen vaihtojännite voi aiheuttaa monenlaisia laitteita. , prosesseja ja haittaa ihmisille, mukaan lukien materiaali.
Jännitteen vääristymää sinänsä kuvaa kerroinpari: sinimuotoinen kerroin, joka heijastaa korkeampien harmonisten rms-arvon suhdetta verkkojännitteen perusharmonisen rms-arvoon, ja kuormitushuippukerroin, joka on yhtä suuri kuin huippuvirrankulutuksen suhde teholliseen kuormitusvirtaan.
Miksi korkeammat harmoniset ovat vaarallisia?
Korkeampien harmonisten ilmentymisen aiheuttamat vaikutukset voidaan jakaa altistuksen keston mukaan välittömiin ja pitkäaikaisiin. On tavallista mainita hetkellinen: syöttöjännitteen muodon vääristymä, jakeluverkon jännitehäviö, harmoniset vaikutukset mukaan lukien harmoninen taajuusresonanssi, haitalliset häiriöt tiedonsiirtoverkoissa, melu akustisella alueella, koneiden tärinä. Pitkäaikaisia ongelmia ovat: liialliset lämpöhäviöt generaattoreissa ja muuntajissa, kondensaattorien ja jakeluverkkojen (johtojen) ylikuumeneminen.
Harmoniset ja linjajännitteen muoto
Merkittävät huippuvirrat puolessa verkon siniaallosta johtavat huippukertoimen kasvuun.Mitä suurempi ja lyhyempi huippuvirta, sitä voimakkaampi vääristymä, kun taas kampakerroin riippuu virtalähteen ominaisuuksista, sen sisäisestä resistanssista - pystyykö se toimittamaan sellaisen huippuvirran. Jotkut lähteet on yliarvostettava niiden nimellistehoon nähden, esimerkiksi generaattoreissa on käytettävä erikoiskäämiä.
Mutta keskeytymättömät virtalähteet (UPS) selviävät tästä ongelmasta paljon paremmin: kaksoismuunnoksen ansiosta ne pystyvät ohjaamaan kuormitusvirtaa milloin tahansa ja säätämään sitä PWM:llä, mikä välttää virran korkean kampakertoimen aiheuttamat ongelmat. . Toisin sanoen korkea huippukerroin ei ole ongelma laadukkaalle UPS:lle.
Korkeammat harmoniset ja jännitehäviöt
Kuten edellä todettiin, UPS:t käsittelevät korkeita huippukertoimia hyvin ja niiden aaltomuodon vääristymä ei ylitä 6 %. Liitäntäjohdoilla täällä ei yleensä ole väliä, ne ovat melko lyhyitä. Mutta johtuen linjajännitteen harmonisten runsaudesta, virran aaltomuoto poikkeaa sinimuotoisesta, erityisesti yksivaiheisten ja kolmivaiheisten tasasuuntaajien tuottamien parittomien suurtaajuisten harmonisten osalta (katso kuva).
Jakeluverkon monimutkainen impedanssi on yleensä induktiivinen luonneSiksi virran harmoniset suuria määriä johtavat merkittäviin jännitehäviöihin 100 metriä pitkillä linjoilla, ja nämä pudotukset voivat ylittää sallitut, minkä seurauksena kuorman jännitteen muoto vääristyy.
Esimerkkinä on huomioitava, kuinka yksivaiheisen dioditasasuuntaajan lähtövirta muuttuu eri verkkoimpedansseilla riippuen muuntajattomalla tulolla varustetun virtalähteen tulosuodattimen resistanssista ja miten tämä vaikuttaa jännitteen aaltomuotoon.
Kolmannen harmonisten kerrannaisten ongelma
Kolmas, yhdeksäs, viidestoista jne. — verkkovirran korkeammille harmonisille on ominaista korkeat amplitudikertoimet. Nämä harmoniset syntyvät yksivaiheisista kuormista ja niiden vaikutus kolmivaiheisiin järjestelmiin on varsin spesifinen. Jos kolmivaihejärjestelmä on symmetrinen, virrat ovat siirtyneet toisistaan 120 astetta ja nollajohdon kokonaisvirta on nolla, — johdossa ei ole jännitehäviötä.
Tämä pätee teoriassa useimpiin harmonisiin, mutta joillekin harmonisille on ominaista virtavektorin pyöriminen samaan suuntaan kuin perusharmonisen virtavektori. Tämän seurauksena neutraalissa parittomat harmoniset, jotka ovat kolmannen kerrannaisia, asettuvat päällekkäin. Ja koska nämä harmoniset ovat enemmistönä, kokonaisnollavirta voi ylittää vaihevirrat: sanotaan, että 20 ampeerin vaihevirrat antavat nollavirran taajuudella 150 Hz 30 ampeerilla.
Yliaaltojen vaikutusta huomioimatta suunniteltu kaapeli voi ylikuumentua, koska sen poikkileikkausta olisi mielen mukaan pitänyt kasvattaa. Kolmannen harmoniset kerrannaiset siirtyvät kolmivaihepiirissä 360 astetta toisiinsa nähden.
Resonanssi, häiriöt, melu, tärinä, kuumennus
Jakeluverkoissa on resonanssin vaara suuremmilla virta- tai jännitteillä harmoninen komponentti osoittautuu näissä tapauksissa perustaajuutta korkeammaksi, mikä vaikuttaa negatiivisesti järjestelmän komponentteihin ja laitteisiin.
Tiedonsiirtoverkot, jotka sijaitsevat lähellä voimalinjoja, joiden kautta suuremmat harmoniset virrat ovat alttiita häiriöille, niissä oleva informaatiosignaali heikkenee, kun taas mitä lyhyempi etäisyys linjasta verkkoon on, sitä pitempi niiden yhteys on, sitä suurempi harmoninen taajuus - mitä suurempi on vääristymätietosignaali.
Muuntajat ja kuristimet alkavat tuottaa enemmän melua korkeampien harmonisten takia, sähkömoottorit kokevat magneettivuon pulsaatioita, mikä johtaa vääntömomenttivärähtelyihin akselissa. Sähkökoneet ja muuntajat ylikuumenevat ja syntyy lämpöhäviöitä. Kondensaattoreissa dielektrinen häviökulma kasvaa taajuudella, joka on suurempi kuin verkko, ja ne alkavat ylikuumentua, dielektrinen hajoaminen voi tapahtua. On tarpeetonta puhua johtojen häviöistä, jotka johtuvat niiden lämpötilan noususta ...