Что такое гармоники?
Гармоники позволяют представлять любую периодическую форму волны. Действительно, согласно теореме Фурье любая периодическая функция периода T может быть представлена в виде суммирования:
Гармоники. Кто они такие? Что они делают? (фото: ElPaso TubeAmps через Youtube)
- Синусоида с тем же периодом T;
- Некоторые синусоиды с той же частотой, что и целые кратные фундаментальной;
- Возможная непрерывная компонента, если функция имеет среднее значение, не равное нулю за период.
Гармоника с частотой, соответствующей периоду исходной формы волны, называется фундаментальной, а гармоника с частотой, равной «n», больше, чем фундаментальная, называется гармонической составляющей порядка «n».
Совершенно синусоидальная форма волны, соответствующая теореме Фурье, не представляет гармонических составляющих порядка, отличных от фундаментального.
Поэтому понятно, что в электрической системе отсутствуют гармоники, когда сигналы тока и напряжения являются синусоидальными. Напротив, наличие гармоник в электрической системе является показателем искажения формы напряжения или тока, и это подразумевает такое распределение электрической мощности, которое может вызвать неисправность оборудования и защитных устройств.
Подводя итог: гармоники - это не что иное, как компоненты искаженной формы волны, и их использование позволяет анализировать любую периодическую несинусоидальную форму волны через различные компоненты синусоидальной формы сигнала.
На рисунке 1 ниже показано графическое представление этого понятия.
Рисунок 1 - Графическое представление гармоник
Как генерируются гармоники?
Гармоники генерируются нелинейными нагрузками. Когда мы применяем синусоидальное напряжение к нагрузке этого типа, мы получим ток с несинусоидальной формой волны. Диаграмма на рисунке 2 иллюстрирует пример несинусоидальной формы волны тока из-за нелинейной нагрузки:
Рисунок 2 - Слева: Форма линейной нагрузки; Вправо: сигнал нелинейной нагрузки
Этот несинусоидальный сигнал может быть деконструирован в гармоники. Если импеданс сети очень низок, искажение напряжения, возникающее из-за гармонического тока, также слишком низкое и редко превышает уровень загрязнения, уже присутствующий в сети. Как следствие, напряжение может оставаться практически синусоидальным и при наличии токовых гармоник.
Чтобы функционировать должным образом, многие электронные устройства нуждаются в определенной форме тока и, следовательно, им приходится «вырезать» синусоидальную форму волны, чтобы изменить ее среднеквадратичное значение или получить постоянный ток от альтернативного значения. В этих случаях ток на линии имеет несинусоидальную кривую.
Основным оборудованием, генерирующим гармоники, являются:
- Персональный компьютер
- Флюоресцентные лампы
- Статические преобразователи
- Группы непрерывности
- Преобразователи частоты
- Сварщики
В общем случае искажение формы волны обусловлено наличием мостовых выпрямителей (внутри этого оборудования), полупроводниковые приборы которых переносят ток только на долю всего периода, что приводит к возникновению прерывистых кривых с последующим введением многочисленных гармоник.
Также трансформаторы могут быть причиной гармонического загрязнения. Фактически, применяя совершенно синусоидальное напряжение к трансформатору, оно приводит к синусоидальному потоку намагничивания, но из-за явления магнитного насыщения железа ток намагничивания не должен быть синусоидальным.
На рисунке 3 показано графическое изображение этого явления:
Рисунок 3 - Феномен магнитного насыщения трансформаторного железа
Результирующая форма волны намагничивающего тока содержит многочисленные гармоники, наибольшая из которых является третьей. Однако следует отметить, что ток намагничивания, как правило, представляет собой небольшой процент от номинального тока трансформатора, и эффект искажения становится все более и более незначительным, поскольку наиболее нагруженными являются результаты трансформатора.
5 действительно приятных эффектов гармоник
Основными проблемами, вызванными гармоническими токами, являются //
1. Перегрузка нейтралов
2. Увеличение потерь в трансформаторах
3. Увеличение скин-эффекта
Основными эффектами гармонических напряжений являются //
4. Напряжение
5. Нарушения крутящего момента асинхронных двигателей
1. Перегрузка нейтралов
В трехфазной симметричной и сбалансированной системе с нейтралью формы колебаний между фазами сдвигаются на 120 ° фазный угол, так что, когда фазы одинаково нагружены, ток в нейтрале равен нулю.
Наличие несбалансированных нагрузок (междуфазное, фазовое-нейтральное и т. Д.) Позволяет пропускать несбалансированный ток в нейтраль.
Рисунок 4 - Несбалансированная система токов
На рисунке 4 показана неуравновешенная система токов (фаза 3 с нагрузкой на 30% выше, чем две другие фазы), а текущий результат в нейтрали подсвечивается красным цветом. В этих условиях Стандарты позволяют устанавливать нейтральный проводник с сечением меньше фазных проводников.
При наличии нагрузок искажений необходимо правильно оценить эффекты гармоник.
На самом деле, хотя токи на основной частоте в трех фазах взаимно компенсируют компоненты третьей гармоники, имеющие период, равный трети фундаментального, равный фазовому сдвигу между фазами (см. Рис. 5 ниже), являются взаимно фазовыми и, следовательно, они суммируют в нейтральном проводнике, добавляя себя к нормальным токам дисбаланса.
То же самое верно и для гармоник, кратных трем (четные и нечетные, хотя на самом деле нечетные чаще встречаются).
Рисунок 5 - Фундаментальная гармоническая и третья гармоники
Вернуться к эффектам гармоник ↑
2. Увеличение потерь в трансформаторах
Эффекты гармоник внутри трансформаторов связаны в основном с тремя аспектами //
- Увеличение потерь железа (или потерь без нагрузки)
- Увеличение потерь меди
- Наличие гармоник, циркулирующих в обмотках
Потери железа происходят из-за явления гистерезиса и потерь, вызванных вихревыми токами. Потери вследствие гистерезиса пропорциональны частоте, а потери от вихревых токов зависят от квадрата частоты.
Потери меди соответствуют мощности, рассеиваемой эффектом Джоуля в обмотках трансформатора. По мере увеличения частоты (начиная с 350 Гц) ток имеет тенденцию к утолщению на поверхности проводников (скин-эффект). В этих условиях проводники предлагают меньшее поперечное сечение потоку, так как потери по эффекту Джоуля увеличиваются.
Эти два первых аспекта влияют на перегрев, который иногда вызывает снижение мощности трансформатора.
Третий аспект имеет отношение к эффектам гармоник тройного N (гомополярных гармоник) на обмотках трансформатора. В случае дельта-обмоток гармоники протекают через обмотки и не распространяются вверх по течению к сети, так как все они находятся в фазе.
Таким образом, дельта-обмотки представляют собой барьер для тройных гармоник N, но для правильного определения размеров трансформатора необходимо обратить особое внимание на этот тип гармонических составляющих.
3. Увеличение скин-эффекта
Когда частота возрастает, ток, как правило, течет на внешней поверхности проводника. Это явление известно как скин-эффект и более выражено на высоких частотах.
При частоте питания 50 Гц скин-эффект пренебрежимо мал, но выше 350 Гц, что соответствует 7-й гармонике, поперечное сечение тока уменьшается, что увеличивает сопротивление и вызывает дополнительные потери и нагрев.
При наличии гармоник высокого порядка необходимо учитывать скин-эффект, поскольку он влияет на срок службы кабелей. Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать несколько проводных кабелей или сборных шин, образованных более простыми изолированными проводниками.
Загрузите технику Cahier Technique Schneider Electric « Дополнительные потери по коже и эффекты близости» //
Загрузить CT
Вернуться к эффектам гармоник ↑
4. Напряжение
Искаженный ток нагрузки, вызванный нелинейной нагрузкой, вызывает искаженное падение напряжения в сопротивлении кабеля. Результирующий искаженный сигнал напряжения применяется ко всем другим нагрузкам, подключенным к одной и той же схеме, в результате чего в них протекают гармонические токи, даже если они являются линейными нагрузками.
Решение состоит в разделении схем, которые подают гармонические генерирующие нагрузки от тех, которые подают нагрузки, чувствительные к гармоникам.
Вернуться к эффектам гармоник ↑
5. Нарушения крутящего момента асинхронных двигателей
Гармоническое искажение напряжения вызывает увеличение потерь вихревых токов в двигателях, как и для трансформаторов. Дополнительные потери связаны с генерацией гармонических полей в статоре, каждый из которых пытается вращать двигатель с другой скоростью, как вперед (1-й, 4-й, 7-й,
,
), а также назад (2-й, 5-й, 8-й,
,
).
Высокочастотные токи, индуцированные в роторе, дополнительно увеличивают потери.
Вернуться к эффектам гармоник ↑
Ссылка // Руководство по электромонтажу Защита, управление и электрические устройства компанией ABB