Гармонические составляющие сети. что это такое и как с ними быть

ВВЕДЕНИЕ

В наше время высоких технологий всё более распространёнными становятся нелинейные нагрузки (частотные преобразователи, инверторы, системы бесперебойного питания, импульсные источники питания, люминесцентные и светодиодные лампы и т.п.). Из-за таких изменений в структуре нагрузки основной темой в этом десятилетии стали качество электроэнергии и снижение уровня гармоник. Проблемы, вызываемые гармониками, такие как перегрев трансформаторов и вращающихся машин, перегрузка проводников нейтрали, выход из строя конденсаторных батарей и т.п., приводят к повышению эксплуатационных расходов и также могут привести к снижению качества продукции и производительности труда. Кроме того, изменения в структуре генерации электроэнергии в сторону использования энергии ветра и солнечных батарей, которые тоже генерируют гармоники, также приводят к тому, что применение фильтров гармоник становится всё более важным для обеспечения стабильного энергоснабжения с приемлемым качеством электроэнергии.

Снизить уровень гармоник можно с использованием пассивных фильтров (составленных из конденсаторов, реакторов и резисторов) или активных фильтров (генерирующих гармоники в противофазе к гармоникам искажений и за счёт этого их уничтожающих)

Хотя основные принципы работы активных фильтров были выработаны ещё в 1970-е годы, они стали привлекать к себе повышенное внимание в последние несколько лет, потому что появилась возможность использования биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и цифровых сигнальных процессоров (ЦСП). При этом разница в стоимости между активными и пассивными фильтрами становится не такой большой, как в прошлом

В этой статье сравниваются преимущества и недостатки активных и пассивных технологий фильтрации. Рассматриваются пассивные и активные решения для снижения уровня гармоник и стабилизации сети, направленные на решение проблем, которые возникают в современных областях применения и имеют тенденцию к возникновению в будущем.

Применение магнитных синтезаторов.

Магнитный синтезатор, выпускаемый Liebert Corporation , обеспечивает защиту нагрузки от различных искажений
электропитания, в частности, от провалов и выбросов напряжения, импульсных и высокочастотных помех, наличия высших гармоник,
вызывающих искажения синусоидальной формы входного напряжения. Выходное напряжение магнитного синтезатора на каждом полупериоде
основной частоты генерируется путем объединения шести прямоугольных импульсов от связанных между собой трансформаторов с насыщением,
аналогично инверторам со ступенчатым (пошаговым) принципом управления. Однако магнитный синтезатор не содержит каких-либо силовых
полупроводниковых элементов, выполняя функцию стабилизатора напряжения.

Рис. 3. Блок-схема магнитного синтезатора.

Блок-схема магнитного синтезатора представлена на рис. 3. Линейные дроссели преобразуют входной источник напряжения в
источник тока. В этом случае ток блока трансформаторов не зависит от меняющихся в широких пределах (± 40%) значений входного
напряжения. Такой способ передачи энергии практически полностью исключает помехи и возможные колебания входного напряжения.
Через блок гальванической развязки энергия передается в блок импульсных трансформаторов и блок конденсаторов. Шесть соединенных
друг с другом импульсных трансформаторов с насыщением создают форму синтезированного напряжения. Каждый трансформатор генерирует
на полупериоде один из шести импульсов с определенной вольт-секундной площадью (рис. 4), обеспечиваемой специальной конструкцией
трансформаторов и блоком конденсаторов. Непрерывный обмен энергией, накопленной в блоке импульсных трансформаторов и в блоке
конденсаторов, обеспечивает глубокое насыщение сердечников трансформаторов и точную регулировку формируемых импульсов по амплитуде
и длительности.

Рис. 4. Процесс формирования выходного напряжения магнитного синтезатора.

Рассмотрим принцип работы магнитного синтезатора. В любой момент времени пять из шести сердечников блока
трансформаторов находятся в режиме насыщения и представляют собой короткозамкнутые контуры. Когда сердечник шестого трансформатора
насыщается, напряжение на этом трансформаторе падает практически до нуля, при этом изменяется полярность напряжения на очередном
трансформаторе на обратную, вызывая переход его сердечника в ненасыщенное состояние и формирование первого импульса в синтезируемом
напряжении следующего полупериода. Такое последовательное переключение импульсных трансформаторов производит серию определенных
импульсов напряжения, используемых как блоки для формирования синтезированного напряжения (рис. 4). Это напряжение поступает на
нагрузку через фильтры, настроенные на вторую и третью гармоники, что обеспечивает коэффициент искажения выходного напряжения не
выше 4% независимо от степени искажения напряжения на входе магнитного синтезатора. Трехфазное выходное напряжение подается к
нагрузке через Zig-Zag трансформатор, формирующий нейтраль выходной цепи и обеспечивающий снижение влияния асимметрии нагрузки на
работу синтезатора. Даже полностью несогласованная но фазам нагрузка (100% асимметрия) не приводит к изменениям выходного
напряжения более чем + 5%, ( 2%. При этом выходная цепь, включая нейтраль, полностью изолирована от входной цепи электропитания.

Вариант реализации принципиальной схемы магнитного синтезатора приведен на рис. 5 .

Рис. 5. Вариант реализации схемы магнитного синтезатора.

На рис.6 представлены регулировочные характеристики при различных величинах загрузки магнитного синтезатора. Как видно
из семейства регулировочных характеристик, отклонение выходного напряжения от номинального значения не превышает 5% при изменении
нагрузки от 0 до 100% и входного напряжения в пределах ± 40%. При этом магнитный синтезатор поглощает высшие гармоники тока,
создаваемые нелинейными нагрузками, подключенными на его выходе. Коэффициент искажения тока на входе магнитного синтезатора не
превышает 8%, независимо от искажения тока нагрузки.

Рис. 6. Регулировочные характеристики магнитного синтезатора.

Некоторые технические характеристики магнитных синтезаторов модели Datawave приведены в таблице № 3.

Taблица 3.

Диапазон мощностей (КВА)	15 — 200
КПД (%)	93 при нагрузке100%,89 при нагрузке 50%
Входной коэффициент мощности	0,95 при нагрузке 25-100%
Перегрузочные способности	150% в течение 20 мин.
Ток короткого замыкания	250% от Iном.
Пределы изменения входного напряжения	±40%
Точность стабилизации выходного напряжения	не более ±5%при нагрузке 0-100%
Коэффициент искажения выходного напряжения	не более 4%
Коэффициент искажения входного тока	не более 8%

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Рис. Развитие тока в нейтрали

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник.

Мониторинг качества электрической энергии и обнаружение гармоник

Присутствие гармоник лучше всего определять по результатам мониторинга качества электроэнергии, а не после аварийных отключений и поломок оборудования. 

Мониторинг является обязательной частью безопасного функционирования сложных энергосистем. Современные анализаторы качества электроэнергии позволяют контролировать множество параметров тока, включая гармоники. Например, трехфазные анализаторы PITE 3561 могут выполнять разовые или долговременные (до 40 суток) тесты энергосистемы, выявляя в том числе гармонические искажения каждой из трех фаз.

Анализатор качества электроэнергии PITE-3561-1500A

Подобные анализаторы дают возможность записать диаграмму гармоник, увидеть пиковые и средние значения, чтобы провести анализ и найти источник проблемы. Без подобных приборов невозможно своевременно обнаружить опасные гармоники, особенно в сложных системах со множеством нелинейных потребителей.

Это интересно: Сгорела техника из-за скачка напряжения — что делать и куда звонить

Источники помех

К источникам помех можно отнести целый ряд оборудования, начиная от бытовых приборов, заканчивая мощными промышленными электрическими машинами. Для начала давайте кратко рассмотрим причины их возникновения.

Гармоники в электрической сети переменного тока возникают из-за особенностей электрооборудования, например из-за нелинейности их характеристик, или характера потребления тока.

Например, в трёхфазных сетях в магнитопроводах трансформаторов длины магнитных путей средних и крайних фаз различаются почти в 2 раза, поэтому и токи их намагничивания различаются до полутора раз. Отсюда возникают гармоники в трёхфазных сетях.

Другой источник помех в электротехнике — это электродвигатели, как трёхфазные синхронные и асинхронные, так и однофазные, в том числе и универсальные коллекторные двигатели. Последний тип двигателей используется в большей части бытовой техники, например:

• стиральные машины;
• кухонные комбайны;
• дрели, болгарки, перфораторы и пр.

В результате работы импульсных блоков питания возникают высокочастотные гармоники (помехи) в электрической сети. Чтобы понять как они образуются, нужно иметь сведения об их внутреннем устройстве. Это связано с тем, что ток первичной обмотки ИБП отличается от непрерывного, он протекает только тогда, когда открыт силовой полупроводниковый ключ. А последний открывается и закрывается с частотой выше 20 кГц.

Интересно: Рабочая частота некоторых современных импульсных блоков питания достигает 150 кГц.

Для уменьшения этих гармоник используют фильтры электромагнитных помех, например, синфазный дроссель и конденсаторы. Для улучшения графика потребления тока относительно питающего однофазного напряжения используют активные корректоры коэффициента мощности (рус. ККМ, англ. PFC).

Такие блоки питания установлены в:

• светодиодных лампах;
• ЭПРА для люминесцентных ламп;
• компьютерные блоки питания;
• современные зарядные устройства для мобильных телефонов;
• телевизоры и прочая техника.

Также к этим источникам питания можно отнести и преобразователи частоты.

Для измерения гармоник в сети можно использовать многофункциональные измерительные приборы от компании EKF. Помимо гармоник, данные приборы могут измерять такие параметры сети, как ток, частота, напряжение, активная, реактивная и полная мощность, а также коэффициенты мощности и частоты. Кроме того, мнофункциональные измерители дают возможность управления, анализа и оптимизации работы энергетического оборудования, систем и промышленных цепей. Они достаточно легко монтируются и могут настраиваться под любой трансформатор тока.

Алгоритмы управления активным фильтром гармоник

Основным алгоритмом анализа гармоник и выделения сигнала ошибки для управления фильтром является разложение общего сигнала на высшие гармонические составляющие c использованием быстрого преобразования Фурье и выделение из общего сигнала сигналов основной частоты и высших гармоник.

Анализ входящих аналоговых сигналов

Получение дискретизации сигнала осуществляется встроенным в микроконтроллер АЦП. Чтобы взять дискретизацию за 1 период сигнала с частотой 50Гц, через равные промежутки времени АЦП со всех каналов синхронно снимает выборки (условно, т.к. время взятие одной выборки пренебрежимо мало по отношению к интервалу между точками дискретизации). В качестве триггера АЦП выступает аппаратный таймер контроллера.

Расчет спектра сигнала

Спектр сигнала получается выполнением прямого Дискретного Преобразование Фурье (ДПФ). Для вычисления спектра на микроконтроллере в реальном времени, используется Быстрое Преобразование Фурье БПФ.

Алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ) позволяет вычислять спектр сигнала за существенно меньшее количество операций. Сложность БПФ , против  у ДПФ.

Когда в дискретизации нет целого числа периодов синусоидального сигнала, разрывы, которые образуются в конечных точках выборки, приводят к расширению спектра анализируемого сигнала вследствие появления дополнительных гармоник.

В случаях когда полученная дискретизация содержит не целое количество периодов, краевые точки не будут совпадать. В этом случае спектр полученный применением БПФ, не будет верным, т. к. из-за изменения временного интервала основные гармоники перераспределяются по высшим частотам. Это влечет за собой расчет гармоник, которых на самом деле не содержится в сигнале и которые могут значительно превышать частоту Найквиста.

Из теоремы Котельникова следует, что при дискретизации аналогового сигнала потерь информации не будет только в том случае, если наивысшая частота полезного сигнала равна половине или меньше частоты дискретизации. В противном случае при восстановлении аналогового сигнала будет иметь место наложение спектральных «хвостов» (подмена частот, маскировка частот, алиасинг).

Это выглядит будто амплитуда с одних гармоник растекается по другим. Для минимизации эффекта растекания спектра применяется техника оконного преобразования.

Так как в случае изменения частоты сети период сигнала так же незначительно изменяется необходимо изменение размерности дискретизации, для этого применяется интерполяция сигнала. Для уточнения расчета спектра сигнала, снятую с АЦП дискретизацию необходимо интерполировать по количеству точек и по времени для передачи в расчет ДПФ, так как расчет ДПФ выполняется только на дискретизациях размерности кратной 2.

Так же с помощью интерполяции можно эффективно решать проблему растекания спектра, при условии, что временной интервал дискретизации близок к измеряемому периоду.

Блок управления выполняет следующие операции:

• производит быстрое преобразование Фурье (FFT).
• производит умножение полученных гармоник на задаваемый коэффициент подавления, полученный результат инвертируется;
• над нормализованными и инвертированными данными производится обратное преобразование Фурье для получения требуемого тока компенсации АФГ;
• требуемый ток АФГ интерполируется под частоту ШИМ;
• интерполируемый под частоту ШИМ требуемый ток преобразуется в задание ШИМ и заносится в генератор ШИМ для формирования сигнала управления силовым модулем. В общем виде задание ШИМ представляется по формуле 1: ,                                                (1) где С — коэффициент зависящий от напряжения сети и напряжения на накопителе;y(t) — результат обратного БПФ; — управление активным выпрямителем; — управление генерацией/потреблением реактивной мощности; power — коэффициент обратной связи АФГ.

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Рис. Схема LC-фильтра

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке RН.

За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Рис. 5 Принцип действия активного кондиционера гармоник

Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток ips, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая in. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов iahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.

Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.

Высшие гармоники в электросетях

Постоянный рост количества нелинейных потребителей в наших электрических сетях приводит к повышенному “загрязнению электросетей”. Обратное воздействие на сеть является для энергетики такой же проблемой, как загрязнение воды и воздуха для экологии.

В идеальном случае на выходных клеммах генераторы выдается чисто синусоидальный ток. Синусоидальное напряжение рассматривается как идеальная форма переменного напряжения, любое отклонение от него считается сетевой помехой.

Рис.1 Обратные воздействия на сеть, вызванные преобразователями частоты.

Все больше потребителей получают из сети несинусоидальный ток. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) этих “загрязненных” токовых волн показывает наличие широкого спектра колебаний с гармониками различного порядка, которые обычно называют высшими гармониками.

Рис.2 Анализ высших гармоник (Быстрое преобразование Фурье)

Высшие гармоники наносят вред электрическим сетям, они опасны для подключенных потребителей так же, как загрязненная вода вредна для организма человека. Они приводят к перегрузкам, снижают срок службы и, при определенных условиях могут вызывать преждевременный выход из строя электрических и электронных потребителей.

Нагрузка высшими гармониками является основной причиной невидимых проблем с качеством напряжения, приводящих к огромным расходам на ремонт или покупку нового оборудования взамен поврежденного. Недопустимо высокое обратное воздействие на сеть и вызванное им низкое качество напряжения могут, таким образом, вызвать сбои производственного процесса вплоть до остановки производства.

Высшие гармоники – это токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50/60 Гц и кратна этой частоте основного колебания. Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают только термическую нагрузку на сеть. Поскольку токи высших гармоник протекают в дополнение к “активным” синусоидальным колебаниям, они обеспечивают электрические потери в рамках электроустановки, что может привести к термической перегрузке. Дополнительные потери в потребителе электроэнергии приводят, кроме того к нагреву и перегреву, а также к сокращению срока службы оборудования.

Оценка нагрузки высшими гармониками, как правило, выполняется в точке подключения (или передачи в сеть электроснабжения общего пользования) соответствующей организации по энергоснабжению. Все чаще эти точки называют Point of Common Coupling (PCC). При определенных условиях может потребоваться определение и анализ нагрузки высшими гармониками со стороны определенного оборудования или групп оборудования для выявления внутренних проблем с качеством электрической сети и их причин, их вызывающих.

Рис.3 Поврежденные высшими гармониками конденсаторы

Для оценки нагрузки высшими гармониками используются следующие параметры:

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD)

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD) или общее гармоническое искажение позволяет квалифицировать размер долей, возникающих в результате нелинейного искажения электрического сигнала. Это отношение эффективного значения высших гармоник к эффективному значению первой гармоники. Значение THD используется в сетях низкого, среднего и высокого напряжения. Обычно для искажения тока используется коэффициент THDi , а для искажения напряжения – коэффициент THDu.

Коэффициент искажения для напряжения

• M = порядковый номер высшей гармоники
• M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
• M = 63 (UMG 605, UMG 511)
• Основная гармоника fund соответствует n = 1

Коэффициент искажения для тока

• M = порядковый номер высшей гармоники
• M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
• M = 63 (UMG 605, UMG 511)
• Основная гармоника fund соответствует n = 1

Общее искажение тока (TDD)

Особенно в Северной Америке термин TDD регулярно используется в связи с проблемами, вызванными высшими гармониками. Это величина, связанная с THDi, но в этом случае определяется отношение доли высших гармоник к доле основных колебаний номинального значения тока. Таким образом, TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (аналогично THDi) и возникающим на протяжении определенного периода эффективным значением тока при полной нагрузке. Обычно период равен 15 или 30 минутам.

TDD (I)

• TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (THDi) эффективным значением
• тока при полной нагрузке.
• IL = полный ток нагрузки
• M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
• M = 63 (UMG 605, UMG 511)

Анализ гармоник (тока и напряжения) могут проводить практически все анализаторы ПКЭ Janitza, за исключением UMG 96L.

Высшие гармоники в трехфазных сетях

В трехфазных сетях, как правило, кривые напряжения во второй и третьей фазе со сдвигом на треть периода в точности воспроизводят форму кривой напряжения в первой фазе. Например, в фазе А напряжение uA может быть представлено некоторой функцией времени:

Где Т – это период основной частоты.

Давайте рассмотрим гармонику порядка k функции f(t) во всех трех фазах.

Учитывая, что ωТ = 2π и вместо t подставляя t – T/3 и t + T/3 получим:

Если сравнить полученные выражения для различных значений k, можно заметить, что напряжение гармоник, кратных трем (k = 3n), где n – любое целое число, во всех фазах имеют одно и то же направление и значение. Гармоники трех фаз при k = 3n + 1 образуют симметричную систему напряжений с последовательностью, совпадающей с последовательностью фаз первой гармоники. В случае k = 3n – 1 гармоники образуют симметричную систему напряжений с последовательностью, обратной основной.

Отсюда следует, что гармоники порядка 1, 4, 7, 10, 13 и так далее образуют системы напряжений прямой последовательности, а гармоники 2, 5, 8, 11, 14 и так далее образуют системы напряжений обратной последовательности. Системы напряжений нулевой последовательности образуют гармоники 3, 6, 9, 12 и так далее.

Если в напряжении каждой из фаз присутствует постоянная составляющая, она может рассматриваться как нулевая гармоника, кратная трем (k = 3·0), то есть образующая нулевую последовательность.

В большинстве случаев, которые важны при практическом применении, в напряжении отсутствуют как все четные гармоники, так и постоянная составляющая, поэтому при дальнейшем рассмотрении ограничимся только нечетными гармониками. Рассмотрим различные схемы соединения трехфазных систем.

Если фазы генератора соединены в звезду, то при несинусоидальном фазном напряжении линейные напряжения (равные разности напряжений двух смежных фаз) не будут содержать в себе гармоник порядка, кратного трем, так как последние образуют системы нулевой последовательности.

Отсутствие гармоник порядка, кратного трем, в линейных напряжениях приводит к тому, что при несинусоидальных напряжениях отношение линейного напряжения к фазному будет меньше . Действительное фазное напряжение будет равно:

А линейное напряжение:

Отсюда следует, что:

Все высшие гармоники и фазные токи основной частоты при симметричной нагрузке, за исключением высших гармоник порядка, кратного трем, образуют систему обратной и прямой последовательностей, которые в сумме дают нуль. Высшие гармоники порядка, кратного трем, образуют систему нулевой последовательности, то есть имеют одну и ту же величину и направление. Поэтому ток в нейтральном проводнике будет равен утроенной сумме тока высших гармоник нулевой последовательности:

В случае отсутствия нейтрального провода токи в каждой из фаз не могут иметь высших гармоник с порядком кратным трем. Это связано с тем, что в такой системе сумма токов в любой момент времени должна быть равна нулю, что невозможно при наличии высших гармоник порядка, кратного трем. Так как в этом случае в нагрузке нет напряжений от токов нулевой последовательности, то между нулевыми точками генератора и симметричной нагрузкой может появиться значительное напряжение, содержащее только гармоники, кратные трем.

При соединении фаз генератора треугольником при несинусоидальных фазных ЭДС, сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре генератора, не будет всегда равна нулю, что имело бы место при синусоидальных ЭДС, а будет равна тройной сумме высших гармоник порядка, кратного трем. Если включить вольтметр в рассечку треугольника (рисунок ниже):

, то вольтметр будет измерять гармоники ЭДС порядка, кратного трем, так как остальные в сумме дают нуль:

Открытый треугольник трех фаз с ЭДС, у которого присутствуют высшие гармоники, применяется как утроитель частоты.

Если фазы соединяются в замкнутый треугольник, то данные ЭДС вызывают внутренний ток в генераторе. Этот ток протекает в замкнутом треугольнике даже тогда, когда внешняя цепь генератора разомкнута (отсутствует нагрузка на генераторе).

Составляющая ЭДС, содержащая гармоники порядка кратного трем, при разомкнутом треугольнике не будет выявляться между зажимами фаз, так как она будет компенсироваться напряжением на внутреннем сопротивлении фазы генератора. В таком случае фазное напряжение буде равно линейному:

Поэтому, если подключить к генератору, соединенному треугольником, внешнюю цепь, то токи во внешней цепи не будут содержать гармоник порядка, кратного трем.

Фазный ток генератора при симметричной нагрузке:

А линейный ток во внешней цепи:

Способы защиты от высших гармоник для частотных преобразователей

Преобразователи частоты содержат инверторы и ШИМ-модуляторы, которые являются источниками искажения напряжения в сети. Это отрицательно сказывается как на работе электродвигателей, так и на качестве электроэнергии в сети. Для защиты от этого явления используют различные фильтры.

Эти устройства устанавливают во входной и выходной цепях преобразователей частоты. Для защиты от искажений формы напряжения и тока применяют:

• Сетевые дроссели. Эти устройства защищают от импульсных перепадов напряжения, несимметричной нагрузке, продлевают срок службы конденсаторов звена постоянного тока.
• Электромагнитные фильтры. Устанавливаются во входной силовой цепи преобразователя. Защищают сеть от гармоник, генерируемых инвертором ПЧ.
• Синусные и dU/dt фильтры. Эти устройства устанавливают в частотно-регулируемом приводе с возможностью рекупации электроэнергии, в цепях электрических машин с частыми пусками, отключениями и реверсами, при использовании для подключения неэкранирумых кабелей.

При выборе фильтра необходимо убедиться, что конкретная модель преобразователя частоты совместима с типом защитного устройства. Эта информация указана в технической документации ПЧ. Компания «Данфосс» выпускает несколько линеек частотных преобразователей со встроенными фильтрами высших гармоник. Это избавляет от необходимости рассчитывать характеристики устройств и расходов на покупку дополнительного оборудования.

FAQ по гармоникам

Что такое гармоники?

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной. Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Основной частотой 50 Гц(т.е. 1-я гармоника = 50 Гц 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Когда возникают гармоники?

Гармонические искажения возникают при работе нелинейных потребителей тока (в том числе частотных преобразователей).

Какие гармоники не появляются от работы ПЧ?

При работе от преобразователя частоты не появляются четные гармоники.

Чем опасны гармоники по току?

Гармонические искажения тока вызывают перегрев силового трансформатора, повышенное потребление реактивной мощности, увеличение потерь в меди силовых проводов и трансформатора. Они являются причиной появления гармоник по напряжению.

Чем опасны гармоники по напряжению?

Наличие гармонических искажений по напряжению приводят к выходу из строя оборудования.

Как бороться с гармониками?

Гармонические искажения можно уменьшать при помощи входных фильтров. Например, в серии VLT HVAC Basic FC 101 имеется встроенный фильтр гармоник на звене постоянного тока.

В данной статье мы рассмотрим что такое гармоники, фундаментальную частоту и сложные формы волны из-за гармоник, в конце статьи подведем краткие итоги по этой теме.

Что такое гармоники в электричестве

Корректная работа электроприборов, будь то бытовая техника или производственное оборудование, зависит от качества электроэнергии, о котором мы привыкли судить по стабильности напряжения и частоты, отсутствию резких скачков напряжения. При этом априори принято считать, что напряжение сети переменного тока изменяется строго по гармоническому закону и представляет собой идеальную синусоиду, однако это далеко не так.

На практике синусоидальные напряжения электрических сетей подвержены искажениям и вместо идеальной синусоиды на экране осциллографа мы видим искаженный, испещренный провалами, зазубринами и всплесками сигнал. Эти искажения следствие влияния гармоник – паразитных колебаний кратных основной частоте сигнала, вызванных включением в сеть нелинейных нагрузок.

Таким образом, реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного сигнала и его гармонических составляющих. Для определения величин гармоник используют преобразование Фурье, при помощи которого исходный сигнал разлагается на сумму гармонических сигналов. Уровень гармоник или уровень влияния нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентом нелинейных искажений.

Типы и источники появления гармоник

Для определения уровня искажения обычно рассматривают диапазон частот от 100 Гц (частота 2 гармоники) до 2000 Гц. Гармоническое искажение синусоидальных сигналов происходит благодаря двум типам паразитных колебаний:

• гармониками, как уже упоминалось колебаниями частот кратных основной частоте 5 Гц, которые состоят из четных (100, 200, … Гц) и нечетных гармоник (150, 250 …);
• интергармоникам, колебаниям, частоты которых не кратны основной частоте.

Порожденные гармониками искажения происходят из-за нелинейных потребителей, вызывающих искажение фазных токов и, как следствие приводящих к нежелательным изменениям в фазных напряжениях. Типичным примером могут служить трехфазные трансформаторы, у которых длины магнитных путей для различных фаз отличаются почти вдвое, что требует различных величин (в полтора раза) токов намагничивания.

Другими источниками гармоник выступают электродвигатели, которые находят широкое применение как в трехфазных сетях питающих производственное оборудование, так и в бытовых однофазных (стиральные машины, кухонная бытовая техника, электроинструмент).

К источникам интергармоник можно отнести многочисленные импульсные блоки питания, оснащенные преобразователями частоты. Их сегодня используют повсеместно:

• в маломощных зарядных устройствах для гаджетов;
• в телевизорах и компьютерах;
• в мощных инверторных сварочных аппаратах.

Они «насыщают» электрическую сеть колебаниями с частотами 20 кГц и даже выше, частоты некоторых современных ИБП могут достигать 150 кГц. Суммарное влияние интергармоник и высших гармонических колебаний вызывает появление помех.

Негативное воздействие и способы защиты

Появление гармоник в питающей сети не столь безобидно и может повлечь за собой вполне ощутимые последствия. Так они ведут к увеличению нагрева:

• обмоток электродвигателей, что может обернуться пробоем на корпус;
• обмоток трансформаторов с возможным разрушением изоляции и замыканием проводов;
• питающих проводов с постепенной утратой изоляцией диэлектрических свойств.

При возникновении гармоники на одной из фаз трехфазной сети, она может вызвать асимметрию, что отразится на корректной работе оборудования. Гармоники приводят к ложным срабатываниям распределительной и защитной аппаратуры (УЗО, автоматы, пускатели), что угрожает технологическим процессам и безопасности персонала. От возникновения высших гармоник страдает качество связи. Основным средством борьбы с гармониками является фильтрация, причем схему фильтра выбирают исходя из конкретных требований. Это могут быть фильтры, пропускающие только основную частоту, а могут быть последовательные LC цепочки, настроенные на определенные гармоники (например, на пятую гармонику) и подавляющие их.

Измерение качества электрической энергии

Для проведения измерений используем современное и высокоточное оборудование от компании METREL. По результатам работ вы получите полный отчет в соответствии с ГОСТ 32144-2013. Благодаря этому вы сможете оптимизировать не только сами электросети, но и работающее от них оборудование.

Подробнее…

Гармоники кратные 3-м

Гармоники образуют импульсные источники питания бесчисленной электробытовой техники, источники бесперебойного питания, энергосберегающие люминесцентные лампы и т.д. Характерной чертой симметричной трехфазной сети при сбалансированных нагрузках является сдвиг токов на 120°. Подробнее…