Оборудование, генерирующее гармоники
В промышленных применениях основными типами оборудования, которые генерируют гармоники, являются: статические преобразователи, дуговые печи, освещение, насыщенные реакторы и другое оборудование, такие как вращающиеся машины, которые генерируют гармоники слотов (часто несущественные).
5 Генераторы основных гармоник и их вредные воздействия на промышленные применения (на фото: Arc Arc Furnace ArcelorMittal)
Давайте поговорим о каждом из перечисленных генераторов гармоник, расчетах и их влиянии на промышленную сеть.
- Генераторы гармоник:
- Статические преобразователи
- Осветительные приборы
- Дуговые печи
- Насыщенные реакторы и
- Вращающиеся машины (которые генерируют гармоники слотов)
- Расчетная модель
- Метод расчета
- Основные нарушения, вызванные гармоническими токами и напряжениями
- Мгновенные эффекты
- Долгосрочные эффекты
1. Статические преобразователи на трехфазных сетях
Мосты выпрямителя и, в более общем случае, статические преобразователи (состоящие из диодов и тиристоров) генерируют гармоники. Например, для обеспечения идеального постоянного тока мост Graetz требует прямоугольного импульсного переменного тока, когда нагрузка сильно индуктивна (см. Рисунок 1).
Рисунок 1 - Переменный ток выше по мосту выпрямителя Graetz, обеспечивающего идеальный постоянный ток при высокой индуктивной нагрузке
Или подсказки, когда за мостом следует конденсатор (см. Рисунок 2):
Рисунок 2 - Переменный ток выше по мосту выпрямителя Graetz, за которым следует конденсатор
Несмотря на их различные формы сигналов, токи вверх и вниз по течению от дельта-звездообразного трансформатора имеют одинаковые характерные гармонические составляющие.
Характерные гармонические составляющие выпрямителей тока, подающих импульсы, имеют гармонические порядки n, такие как n = kp ± 1, где:
-
k = 1, 2, 3, 4, 5
,
-
p = количество выпрямительных рычагов, например:
- Мост Граца (p = 6)
- 6-импульсный мост (p = 6)
- 12-импульсный мост (p = 12)
Применяя формулу, приведенные выше выпрямители p = 6 генерируют гармоники 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 и т. Д., А выпрямители p = 12 генерируют гармоники 11, 13, 23, 25 и т. Д.
Характерные гармоники все нечетные, а их токи, приближаясь к идеальному случаю на рис. 5, относятся примерно к амплитудному соотношению I n = I 1 / n, где I 1 - амплитуда фундаментального. Это означает, что I 5 и I 7 будут иметь наибольшие амплитуды. Обратите внимание, что их можно устранить, используя 12-импульсный мост (p = 12).
На практике спектр тока несколько отличается.
Создаются новые четные и нечетные гармоники, называемые нехарактерными гармониками низких амплитуд, и амплитуды характерных гармоник изменяются несколькими факторами, включая:
- Асимметрия,
- Неточность во время стрельбы тиристора,
- Время переключения,
- Несовершенная фильтрация.
Для тиристорных мостов также можно наблюдать смещение гармоник в зависимости от фазового угла тиристора.
Смешанные тиристорно-диодные мосты генерируют даже гармоники. Они используются только при низких оценках, поскольку вторая гармоника вызывает серьезные нарушения и очень трудно устранить. Другие преобразователи мощности, такие как циклопреобразователи, диммеры и т. Д., Имеют более богатые и более переменные спектры, чем выпрямители.
Обратите внимание, что они иногда заменяются выпрямителями с использованием метода PWM (широтно-импульсная модуляция). Эти устройства работают на высоких частотах измельчения (около 20 кГц) и, как правило, предназначены для генерации только низких уровней гармоник.
Гармонические токи нескольких преобразователей объединяются в векторном отношении на общих шинах питания. Их фазы обычно неизвестны, за исключением случая диодных выпрямителей.
Поэтому возможно ослабление 5-й и 7-й гармоник тока с использованием двух одинаково нагруженных 6-импульсных диодных мостиков, если муфты двух трансформаторов питания тщательно выбраны (см. Рисунок 3).
Рисунок 3 - Схема затухания для I 5 и I 7
Вернуться к содержанию ↑
2. Освещение
Осветительные системы, состоящие из газоразрядных ламп или люминесцентных ламп, являются генераторами гармонических токов.
Соотношение 3- й гармоники может даже превышать 100% в некоторых случаях современных флюокомпактных ламп. Затем нейтральный проводник переносит сумму трех гармонических токов трех фаз и, следовательно, может подвергаться опасному перегреву, если он не имеет достаточного размера.
Вернуться к содержанию ↑
3. Дуговые печи
Дуговые печи, используемые в металлургической промышленности, могут быть переменного или постоянного тока.
Дуговые печи переменного тока (рис. 4)
Дуга нелинейна, асимметрична и неустойчива. Он генерирует спектр, включающий нечетные и четные гармоники, а также непрерывный спектр (фоновый шум на всех частотах).
Рисунок 4 - Дуговая печь, питаемая от сети переменного тока
Спектр зависит от типа печи, ее мощности и рассматриваемой работы (например, плавления, переработки). Поэтому необходимы измерения для определения точного спектра (см. Рис. 5).
Рисунок 5 - Спектр тока для дуговой печи, питаемой от сети переменного тока
DC дуговые печи (рис. 6)
Дуга подается через выпрямитель и более стабильна, чем дуга в печах переменного тока. Нынешний рисунок можно разбить на:
- Спектр, аналогичный спектру выпрямителя,
- Непрерывный спектр ниже, чем у дуговой печи переменного тока.
Рисунок 6 - Дуговая печь, подаваемая от источника постоянного тока
Вернуться к содержанию ↑
4. Насыщенные реакторы
Импеданс насыщающегося реактора изменяется с протекающим через него током, что приводит к значительным искажениям тока.
Это, например, случай для трансформаторов без нагрузки, подверженных непрерывному перенапряжению.
Вернуться к содержанию ↑
5. Вращающиеся машины
Вращающиеся машины генерируют гармоники слотов высокого порядка, часто несущественные амплитуды. Однако малые синхронные машины генерируют гармоники напряжения 3- го порядка, чем могут иметь следующие отрицательные эффекты:
- Непрерывный нагрев (без ошибок) заземляющих резисторов генераторов нейтралов;
- Неисправность реле тока, предназначенного для защиты от дефектов изоляции.
Вернуться к содержанию ↑
Расчетная модель
При расчете помех статические преобразователи и дуговые печи считаются генераторами гармонического тока (см. Рис. 7).
Рисунок 7 - Генераторы гармонического тока моделируются как источники тока
В значительной степени гармонические токи, наносимые возмущающим оборудованием, не зависят от других нагрузок и полного сопротивления сети.
Таким образом, эти токи могут быть введены в сеть с помощью возмущающего оборудования. Просто необходимо произвольно изменить знак, чтобы в целях расчета нарушающее оборудование можно было рассматривать как источники тока.
Аппроксимация несколько менее точна для дуговых печей. В этом случае модель источника тока должна быть скорректирована путем добавления тщательно отобранного параллельного импеданса. Также можно учитывать существующие гармоники напряжения при подключении к восходящей сети с использованием эквивалентной модели Norton (см. Рисунок 8).
Для каждого порядка U H ток I H вычисляется с учетом Z и импеданса сети вниз по течению.
Рисунок 8 - эквивалентная модель типа Norton
Метод расчета
Когда известны гармонические токовые аргументы (фазовые сдвиги), может использоваться векторная обработка. Для ряда однофазных возмущающих источников может быть интересно использовать несбалансированное моделирование.
Когда гармонические токи, создаваемые возмущающими источниками, известны только для их амплитуд, технический отчет МЭК 61000-3-6 предлагает метод добавления эффектов таких источников.
Промежуточные чтения по этому вопросу (PDF):
- Гармоническое распределение по IEC / TR 61000-3-6 на интерфейсе распределения / передачи
- Применение IEC 61000-3-6 к системам MV в Австралии
Вернуться к содержанию ↑
Основные нарушения, вызванные гармоническими токами и напряжениями
Гармонические токи и напряжения, наложенные на фундаментальные, оказывают комбинированное воздействие на оборудование и устройства, подключенные к сети электропитания.
Пагубные последствия этих гармоник зависят от типа загруженной нагрузки и включают:
- Мгновенные эффекты и
- Долгосрочные эффекты, связанные с нагревом
1. Мгновенные эффекты
Гармонические напряжения могут помешать контроллерам, используемым в электронных системах. Они могут, например, влиять на условия переключения тиристоров, перемещая нулевое пересечение волны напряжения.
Гармоники могут вызывать дополнительные ошибки в электросчетчиках индукционных дисков. Например, погрешность метра класса 2 будет увеличена на 0, 3% при соотношении 5- й гармоники 5% в токе и напряжении.
Приемники управления пульсациями, такие как реле, используемые электрическими утилитами для централизованного дистанционного управления, могут быть нарушены гармониками напряжения с частотами в окрестности управляющей частоты. Другие источники помех, влияющих на эти реле, связанные с гармоническим импедансом сети, будут обсуждаться далее.
Вибрации и шум
Электродинамические силы, создаваемые мгновенными токами, связанными с гармоническими токами, вызывают вибрации и акустический шум, особенно в электромагнитных устройствах (трансформаторы, реакторы и т. Д.).
Пульсирующий механический крутящий момент из-за гармонических вращающихся полей может создавать вибрации во вращающихся машинах.
Вмешательство в цепи связи и управления (телефон, контроль и мониторинг)
Нарушения наблюдаются, когда цепи связи или управления проходят по боковым схемам распределения мощности, несущим искаженные токи.
Параметры, которые необходимо учитывать, включают:
- Длина параллельного запуска,
- Расстояние между двумя цепями и
- Гармонические частоты (связь увеличивается с частотой).
Вернуться к содержанию ↑
2. Долгосрочные эффекты
Из-за механической усталости из-за вибрации основным долговременным эффектом гармоник является нагрев.
Конденсаторное отопление
Потери, вызывающие нагрев, обусловлены двумя явлениями: проводимостью и диэлектрическим гистерезисом.
В первом приближении они пропорциональны квадрату среднеквадратичного тока. Поэтому конденсаторы чувствительны к перегрузкам, будь то из-за чрезмерно высоких фундаментальных или наличия гармоник напряжения.
Эти потери определяются углом потерь δ конденсатора, который является углом, касательной которого является отношение потерь к выработанной реактивной мощности (см. Рис. 9). Значения около 10 -4 могут быть указаны для tanδ.
Выработанное тепло может привести к диэлектрическому пробою.
Рисунок 9 - Треугольник, относящийся к мощности конденсатора (P - активный, Q - реактивный, S - кажущийся)
Отопление из-за дополнительных потерь в машинах и трансформаторах
- Дополнительные потери в статорах (медь и железо) и в основном в роторах (демпфирующие обмотки, магнитные цепи) машин, вызванные значительными различиями в скорости между гармоническими индуцирующими вращающимися полями и ротором. Обратите внимание, что измерения ротора (температура, индуцированные токи) сложны, если не невозможны,
- Дополнительные потери в трансформаторах из-за скин-эффекта (увеличение сопротивления меди с частотой), гистерезис и вихревые токи (в магнитной цепи).
Отопление кабелей и оборудования
Потери увеличены в кабелях, несущих гармонические токи, что приводит к повышению температуры. Причинами дополнительных потерь являются:
- Увеличение среднеквадратичного значения тока при одинаковой потребляемой активной мощности;
- Увеличение кажущегося сопротивления сердечника с частотой из-за скин-эффекта;
- Увеличение диэлектрических потерь в изоляции с частотой, если кабель подвергается незначительному искажению напряжения;
- Явления связаны с близостью проводников по отношению к металлической оболочке и экранированием заземленных на обоих концах кабеля и т. Д. Расчеты для устойчивого состояния могут выполняться, как описано в МЭК 60287.
Вообще говоря, все электрооборудование (электрические распределительные устройства), подвергнутые гармоникам напряжения или через которые протекают гармонические токи, проявляют повышенные потери энергии и при необходимости должны быть уменьшены.
Например, ячейка питателя конденсатора должна быть рассчитана на ток, равный в 1, 3 раза ток реактивной компенсации. Однако этот коэффициент безопасности не учитывает увеличение нагрева из-за скин-эффекта в проводниках.
Гармоническое искажение токов и напряжений измеряется с помощью анализаторов спектра, обеспечивающих амплитуду каждого компонента. Важно использовать датчики тока или напряжения, имеющие достаточную ширину полосы для измеренных частот.
Среднеквадратичное значение искаженного тока (или напряжения) можно оценить любым из трех способов:
- Измерение с использованием устройства, предназначенного для предоставления истинного среднеквадратичного значения,
- Восстановление на основе спектра, обеспечиваемого спектральным анализом,
- Оценка с дисплея осциллографа.
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Гармонические нарушения в сетях и их обращение Кристиан КОЛЛОМБЕТ, Жан-Марк ЛЮПИН и Жак ШОНЭК (Schneider Electric)