Эффекты гармоник
Искажение формы волны в токе нагрузки любого нелинейного устройства вызывает аналогичные изменения в форме сигнала напряжения относительно гармонического импеданса исходной сети. Это искажение напряжения влияет как на ток, так и на напряжение для всех других нагрузок, подключенных к этой системе.
Влияние плохих гармоник на двигатели и генераторы, трансформаторы, конденсаторы и другое оборудование (на фото: инструмент контроля качества оборудования FLUKE 437-II)
Общие эффекты таких гармонических искажений заключаются в следующем:
- Двигатели и генераторы
- трансформеры
- Конденсаторы
- Электрические кабели
- Электронное оборудование
- Распределительные устройства и ретрансляторы
- Плавкие предохранители
- Взаимодействие систем связи
1. Двигатели и генераторы
На генераторы и двигатели оказывают негативное влияние гармоники в сетях, к которым они подключены. Типичные эффекты:
- Увеличенный нагрев из-за потерь железа и меди на гармонических частотах
- Более высокое слышимое шумовое излучение по сравнению с синусоидальным возбуждением
- Гармонические токи в роторе
Гармонические токи, отмеченные выше, вызваны гармониками в обмотке статора, которые будут создавать гармонические токи в роторе, например, гармоники статора 5-го и 7-го порядка будут создавать гармоники ротора 6-го порядка, в то время как гармоники статора 11-го и 13-го порядка будет генерировать гармоники ротора 12-го порядка.
Эти гармонические токи ротора приведут к увеличению нагрева ротора и пульсированию или уменьшению крутящего момента.
Следует также отметить, что системный дисбаланс (стоячий дисбаланс или замыкания на землю), выраженный как токи с отрицательной последовательностью, также может отражать в роторе как гармонические токи, которые добавляют к отмеченным выше.
Генераторы также могут создавать гармоники и, в частности, триплиновые гармоники, которые могут циркулировать через соседние трансформаторы с заземлением, когда генераторы напрямую подключены к шине нагрузки. Это может повлиять на использование трансформаторов-генераторов, соединенных с Delta.
Вернуться к содержанию ↑
2. Трансформаторы
Коэффициент рассеяния на медных проводниках изменяется как квадрат тока нагрузки и квадрат частоты и поэтому будет меняться в зависимости от гармонического смешения в источнике питания. Хотя процентный вклад в искажение высшими гармониками уменьшается по мере увеличения частоты гармоник, его эффект нагрева, даже если низкие гармонические проценты, может значительно повыситься.
Гармоники, генерируемые нелинейными нагрузками, такими как частотно-регулируемые приводы (VFD), накладывают несинусоидальный ток на силовые трансформаторы, которые обеспечивают такие нагрузки, что приводит к существенному увеличению потерь и повышению температуры.
С добавлением гармонических токов стандартные проектные трансформаторы должны быть снижены, чтобы ограничить повышение температуры до уровня повышения температуры изоляции, или трансформатор должен быть заменен специальным трансформатором «K».
Типовая табличка трансформатора K-фактора
Фактор «K» был установлен Underwriter Laboratories (UL), чтобы определить способность трансформатора обслуживать различные степени нелинейного тока нагрузки без превышения номинального повышения температуры.
Коэффициент «K» основан на прогнозируемых потерях, как указано в ANSI / IEEE C57.110 (S14).
Вернуться к содержанию ↑
3. Конденсаторы
Любая емкость в сети переменного тока может создавать риск резонанса с индуктивными частями сети. Хотя электрические сети сконструированы так, чтобы не иметь резонансов на основных частотах, когда учитываются многочастотные эффекты гармонических искажений, всегда существует возможный риск системного резонанса.
Эти и другие эффекты гармоник на конденсаторах и конденсаторных банках заключаются в следующем:
- Резонанс накладывает значительно более высокие напряжения и токи в конденсаторы.
- Конденсаторный банк выступает в качестве приемника для более высоких гармонических токов, что увеличивает нагрев и диэлектрические напряжения.
- Потери в конденсаторе пропорциональны реактивному выходу (kVAR), который, в свою очередь, пропорционален частоте. Эти потери увеличиваются, и общий ресурс конденсатора сокращается с увеличением гармоник.
Чтобы избежать или минимизировать такие проблемы, банки конденсаторов могут быть настроены на отклонение определенных гармоник путем добавления реактивности.
В большинстве промышленных систем гармоник, основной задачей для установки конденсаторов является удовлетворение требований коэффициента мощности, выраженное в тарифах. Дополнительные преимущества - лучшее регулирование напряжения и меньшие потери.
Обычно используемые местоположения показаны на рисунке 2 ниже.
Рисунок 2 - Типовая однолинейная диаграмма для промышленной системы
Любая конденсаторная банка может быть источником параллельного резонанса с индуктивностью системы.
Избегание резонансных проблем
Лучший способ избежать резонансных проблем - установить большие конденсаторные банки на главной шине. Это решение предлагает следующие преимущества:
- Более доступная реактивная мощность для системы в целом
- Простота управления гармоническими напряжениями и токами
- Снижение капитальных затрат, поскольку крупные банки более экономичны с точки зрения стоимости покупки
- Реакторы могут быть добавлены для смещения резонансной частоты от характерной гармонической частоты установки
Конденсаторы также могут быть объединены с реакторами для создания гармонических фильтров на неудобных резонансных гармонических частотах. Резонансная частота на шине конденсатора может быть рассчитана следующим образом:
Где:
- f r - резонансная частота
- f s - системная частота, 60 Гц
- kVA sc - уровень трехфазной неисправности системы в кВА
- kVA c - это трехфазный конденсатор-банк в кВА
Вернуться к содержанию ↑
4. Силовые кабели
Кабели питания по своей сути являются емкостными и, как отмечено выше для банков конденсаторов, их емкость может создавать риск резонанса с индуктивными частями сети.
Эти резонансные риски и сами гармоники могут создавать следующие проблемы для кабельных систем:
- Кабели, участвующие в системном резонансе, могут подвергаться напряжению и короне.
- Увеличенный нагрев из-за более высокого среднеквадратичного тока, скин-эффекта и эффекта близости. Кожный эффект будет варьироваться в зависимости от частоты и размера проводника.
Силовые кабельные проводники обычно расположены очень близко друг к другу, поэтому высокочастотные токи во внешнем кожуре одного проводника влияют на распространение и поведение высокочастотных токов в коже соседних проводников, что приводит к «эффекту близости» «.
Кожный эффект и эффект близости пропорциональны квадрату частоты. Поэтому кабели должны уменьшаться, если есть значительные гармонические искажения, особенно если I THD больше 10%.
Кабель фидера к шкафу привода
Устройство подачи силового кабеля на любой привод с частотно-регулируемым приводом (VFD) несет основной или синусоидальный ток 60 Гц плюс гармонические токи, создаваемые приводом. Выбранный размер фидера должен основываться на нагреве от общего среднеквадратичного тока (основные плюс гармоники) и скин-эффекта гармоник более высокого порядка.
Поэтому кабель должен быть снижен, чтобы компенсировать дополнительное тепло, вызванное гармоническими токами и связанным с ним скин-эффектом.
Эффект кожи также зависит от размера проводника и, следовательно, следует избегать больших размеров проводников.
Рисунок 3 - Снижение мощности кабеля по сравнению с гармониками с гармоническим распределением тока с шестью импульсами
На рисунке 3 показаны коэффициенты ослабления кабеля, построенные по проценту гармонического тока с гармоническим смешением, связанным с типичным 6-импульсным VFD. Из-за скин-эффекта требуется большее снижение мощности для больших проводников.
В статье Хиранандани был рассмотрен метод расчета расчетных коэффициентов мощности, включающий эффекты гармоник. Некоторые производители кабелей имеют собственное компьютерное программное обеспечение и могут помочь пользователям, если конкретные данные гармоник доступны для рассматриваемых дисков.
С точки зрения применения кабелей для приводов с переменной скоростью или других источников гармонических гармоник, можно сделать следующие рекомендации:
- Используйте трехпроводные, а не одножильные кабели.
- Избегайте больших проводников, чтобы минимизировать потери из-за скин-эффекта. Размер проводника не должен превышать 350 ккм.
- Используйте экранированные кабели для оборудования с номинальным напряжением свыше 600 В.
Вернуться к содержанию ↑
5. Электронное оборудование
Силовое электронное оборудование подвержено неправильной работе, если имеются значительные уровни гармонических искажений. Некоторые из систем управления для силовых электронных устройств используют обнаружение пересечения нуля для управления переключением.
Гармонические искажения могут привести к смещению точек пересечения нуля напряжения, и эти изменения могут иметь решающее значение для многих типов электронных схем управления. Кроме того, если происходит некорректное переключение, может быть создано большее количество гармоник, что осложняет проблему.
Вернуться к содержанию ↑
6. Распредустройство и ретрансляция
Гармонические токи в распределительном устройстве увеличивают нагрев и потери в распределительном устройстве таким же образом, как обсуждалось выше для силовых кабелей. Аналогичным образом искажения напряжения могут вызывать проблемы для трансформаторов напряжения (VT) и подключенных реле, в то время как искажение тока может сделать то же самое для трансформаторов тока (CT) и реле тока.
В частности, электромеханические реле максимальной токовой защиты имеют тенденцию работать медленнее, а статические реле с пониженной частотой, которые используют пересечение нуля для измерения частоты, восприимчивы к существенным изменениям рабочих характеристик так же, как указано выше для электронных схем управления.
Гармоники могут также ухудшить скорость работы электромагнитных дифференциальных реле.
Современные цифровые реле используют методы фильтрации для создания основной частоты только для того, чтобы гармоники тока и напряжения не влияли на гармоники. Для правильной фильтрации требуется, чтобы алгоритм ретрансляции отслеживал частоту системы, а большинство реле имеют ограниченный частотный диапазон, над которым они предназначены для работы.
Несмотря на то, что возможность устранения неисправностей не может быть нарушена, ее способность правильно измерять и обнаруживать условия перегрузки зависит от ее способности точно измерять эффект нагрева, т. Е. Полные среднеквадратические значения.
Хотя поправки могут быть сделаны в настройках, когда гармонический микс известен, важно знать частоту среза реле, чтобы иметь возможность полностью компенсировать и защищать устройства, такие как высокочастотные фильтры.
Вернуться к содержанию ↑
Плавкие предохранители
Предохранители страдают от снижения мощности из-за тепла, генерируемого гармониками. Поэтому предохранители могут работать неправильно под воздействием гармоник. Эти эффекты следует учитывать, чтобы плавкие предохранители можно было правильно снизить.
Кроме того, необоснованное и частое выдувание предохранителей свидетельствует о наличии неожиданных гармоник или изменений гармонического состава в этой системе.
Вернуться к содержанию ↑
8. Интерференция систем связи
Системы связи восприимчивы к помехам от гармоник, особенно к тем, которые приводят к частотам в слышимом диапазоне. Любое увеличение слышимой телефонной помехи должно быть исследовано, поскольку это часто является первым предупреждением о том, что гармоники присутствуют или увеличиваются.
При расчете влияния гармоник и связанных с ними частот на соседние схемы связи используются два фактора: коэффициент веса, W и коэффициент телефонного интерфейса, TIF.
Взвешивание в W-факторе основано на чувствительности человеческого уха и показано на рисунке 4. Интерференция связи из-за индуктивной связи между цепями питания и связи рассчитывается с использованием TIF, который определяется как:
Рисунок 4 - Значения весовых коэффициентов телефонного интерфейса (TIF)
Где:
W f = 5 × P f × f
Где:
- V f - среднеквадратичное напряжение на частоте f
- W f является весовым коэффициентом TIF на частоте f
- V t является среднеквадратическим
- P f - взвешивание сообщения C
- 5 является постоянной для имитации захвата связи
- f - частота
Вернуться к содержанию ↑
Влияние нелинейных нагрузок
Гармоники - это удобный способ выражения искажений формы волны, вызванных нелинейными нагрузками в электроэнергетических системах. До введения силовой электроники большинство нелинейных нагрузок были результатом статических выпрямительных систем или работы трансформаторов шунтирующих реакторов при напряжениях за их намагничивающей коленной точкой, т. Е. Вне их линейной области.
С момента внедрения силовой электроники в промышленные системы искажение формы волны стало более распространенным, и потребность в анализе результирующих гармоник увеличилась.
Другие искажения формы волны возникают при включении трансформаторов, но эти гармоники носят временный характер. Гармоники также могут вызывать резонанс и перегрузку устройств, предназначенных для работы только на основных частотах.
Чтобы контролировать уровень гармоник в любой системе, важно знать как источник гармоник, так и устройства, чувствительные к таким гармоникам, чтобы ограничить их влияние в любой сети.
Таблица 1 - Гармонический ток, создаваемый нелинейными нагрузками (% от фундаментальных)
|
гармоника порядок |
выпрямитель 6/12-импульсный |
VFD PWM6-Pulse |
SMPS | ПК |
Fluoroscent Лампы |
| 3 | , |
, |
81 | 57 | 28, 7 |
| 5 |
20 / , |
25-47 | 60, 6 | 38 | 2, 6 |
| 7 |
14, 3 / , |
16 | +37, 5 | 23 | 2, 2 |
| 9 | , |
, |
+15, 7 | 13 | , |
| 11 | 9, 1 / 9, 1 | 8, 7 | 2, 4 | 23 | , |
| 13 | 7, 7 / 7, 7 | 4.5 | 6, 3 | 5 | , |
| 15 | , |
, |
7, 9 | 3 | , |
| 17 |
5, 9 / , |
3, 7 | , |
, |
, |
| 19 |
5, 3 / , |
1, 9 | , |
, |
, |
| THD | 28 / 14, 3 | 51 | 116 | 75 | 29 |
Вернуться к содержанию ↑
Ссылка // Промышленные энергетические системы Шоаиба Хана (получить твердую обложку из Амазонки)