Surse de armonici în rețelele electrice

Deoarece elementele neliniare sunt prezente invariabil în electricitatea modernă, în special în rețelele industriale, ca urmare, curbele de curent și curbele de tensiune sunt distorsionate, în rețele apar armonici mai mari.

În primul rând, non-sinusoiditatea se datorează prezenței convertoarelor statice, apoi - generatoare sincrone, mașini de sudură, lămpi fluorescente, cuptoare cu arc, transformatoare, motoare și alte sarcini neliniare.

Matematic, nesinusoiditatea curbelor de curent și tensiune poate fi reprezentată ca suma armonicii principale a frecvenței rețelei și a armonicilor sale superioare care sunt multipli ale acesteia. Analiza armonică are ca rezultat o serie Fourier trigonometrică, iar valorile frecvențelor și fazelor armonicelor rezultate pot fi calculate cu ușurință folosind formula:

De fapt, combinația rezultată de tensiuni și curenți nesinusoidali într-o rețea trifazată poate fi asimetrică sau simetrică.Un sistem simetric de tensiuni nesinusoidale pentru multiplii de trei armonici (k = 3n) duce la formarea unui sistem de tensiuni cu secvență zero.

Mai mult, la k = 3n + 1, armonica din rețeaua trifazată generează un sistem simetric de tensiuni de secvență negativă. Deci, fiecare k-armonică a unui sistem simetric de tensiuni nesinusoidale are ca rezultat un sistem simetric de tensiuni de fază de secvență directă, inversă sau zero.

În practică însă, sistemul de tensiuni nesinusoidale de fază se dovedește a fi asimetric. Asa de, miezuri magnetice ale transformatoarelor trifazate ele însele, sunt neliniare și asimetrice, deoarece lungimile căilor magnetice pentru fazele mijlocii și finale diferă cu un factor de 1,9. Ca urmare, valorile efective ale curenților de magnetizare ai fazei de mijloc sunt de 1,3 - 1,55 ori mai mici decât valorile curenților de magnetizare pentru fazele finale.

Armonicile asimetrice sunt descompuse în componente simetrice atunci când fiecare k-armonică formează un sistem asimetric de tensiuni de fază și de obicei conține componente a trei secvențe - zero, direct și invers.

Rețelele trifazate cu un neutru izolat se caracterizează prin absența componentelor de ordine zero în fiecare dintre faze, cu condiția să nu existe defecțiuni la pământ. Ca rezultat, nu există multipli de trei armonici în curenții de fază, dar există și alte armonice care conțin componente inversă și pozitivă.

Redresoarele de putere, de regulă, pe partea de curent continuu au inductanțe mari, care sunt înfășurări ale mașinii de curent continuu și reactoare de netezire.Aceste inductanțe sunt de multe ori mai mari decât inductanța echivalentă a părții de curent alternativ, prin urmare astfel de redresoare în raport cu rețeaua de curent alternativ se comportă ca surse de curent armonic mai mare. Curentul direcționat către rețea cu o frecvență armonică are o valoare care nu depinde de parametrii rețelei de alimentare.

Pentru rețelele electrice trifazate, este caracteristic să se utilizeze redresoare trifazate cu undă completă pentru 6 supape ca astfel de convertoare, de la care se numesc șase impulsuri sau șase faze. Curba curentului pentru fiecare dintre fazele din acest caz poate fi descrisă prin ecuația (pentru curentul unei faze A):

Se poate observa că curenții de fază conțin doar armonici impare care nu sunt multipli de trei, iar semnele acestor armonice alternează: armonici pozitive de ordinul 6k + 1 și armonici negative de ordinul 6k-1.

Dacă se folosește un redresor cu douăsprezece faze, atunci când o pereche de redresoare cu șase faze este conectată la o pereche de transformatoare trifazate (tensiunile secundare sunt defazate cu pi / 6), atunci armonicile de 12k + 1 și 12k- 1-comenzile vor apărea, respectiv.

Înainte de a fi utilizate redresoare, doar transformatoarele și diversele mașini electrice erau principala sursă de armonici superioare în rețelele electrice. Dar și astăzi transformatoarele sunt cele mai comune elemente ale rețelelor electrice.

Motivul pentru care transformatoarele generează armonici mai mari este curba de magnetizare neliniară a circuitelor magnetice și prezența constantă a bucle de histerezis… O curbă de magnetizare neliniară și o buclă de histerezis generează distorsiuni ale curentului de magnetizare fără sarcină sinusoidal original și rezultatul sunt armonici mai mari în curentul pe care transformatorul îl atrage din rețea.

Transformatoarele din clasa 110 kV nu au mai mult de 1% curent fără sarcină, iar transformatoarele din clasa 6-10 kV - nu mai mult de 2-3%. Aceștia sunt curenți mici și pierderile lor active în circuitul magnetic sunt neglijabile. Curba de magnetizare este cea care contează, nu bucla de histerezis.

Curba de magnetizare este simetrică și nu există nici măcar armonici în expansiunea seriei Fourier. Distorsiunea curentului de magnetizare este cauzată de armonici impare, printre care se numără multipli de trei. A treia armonică este deosebit de pronunțată, dar armonicile a cincea și a șaptea sunt și cele mai semnificative.

Armonicele EMF și armonicile de curent sunt, de asemenea, caracteristice motoarelor, atât sincrone cât și asincrone… Aceste armonici sunt cauzate de aceleași fenomene ca și armonicile de curent generate de transformatoare – neliniaritatea curbei de magnetizare a materialelor din care sunt fabricate statorul și rotorul.

Spectrul de frecvență al armonicilor de curent ale motoarelor electrice, precum cel al transformatoarelor, include armonici impare, printre care se numără, evident, multipli de trei. Cele mai semnificative aici sunt armonicile a 3-a, a 5-a și a 7-a.

Ca și în cazul transformatoarelor, calculele brute ne permit să luăm procentul de curenți ai armonicii a 3-a, a 5-a și a 7-a la 40% pentru armonica a treia, 30% pentru armonica a cincea și 20% pentru armonica a șaptea (procent din curentul inactiv).