Motive pentru apariția armonicilor superioare în sistemele de alimentare moderne

Echipamentele electrice ale lumii moderne devin din ce în ce mai complexe, în special pentru tehnologiile IT. Datorită acestei tendințe, sistemele de asigurare a calității energiei electrice trebuie să îndeplinească aceste cerințe: pur și simplu trebuie să gestioneze cu ușurință fluctuațiile, supratensiunile, scăderile de tensiune, zgomotul, zgomotul de impuls etc., astfel încât rețeaua industrială și utilizatorii aferenti săi să poată funcționa normal.

Remodelarea tensiunii rețelei din cauza armonicilor cauzate de sarcini neliniare este una dintre principalele probleme de rezolvat. În acest articol, vom analiza aspectele în profunzime ale acestei probleme.

Care este esența problemei

Ponderea principală a actualelor echipamente de birou, calculatoare, birou, echipamente multimedia sunt în general sarcini neliniare, care, conectate în rețeaua de alimentare comună în cantități uriașe, denaturează forma tensiunii rețelei.

Această tensiune distorsionată este percepută dureros de alte dispozitive electrice și, uneori, perturbă semnificativ funcționarea lor normală: provoacă defecțiuni, supraîncălzire, întrerupe sincronizarea, generează interferențe în rețelele de transmisie a datelor, — în general, tensiunea alternativă nesinusoidală poate provoca o întreagă varietate de echipamente. , procese și inconveniente pentru oameni, inclusiv materiale.

Distorsiunea de tensiune ca atare este descrisă de o pereche de coeficienți: factorul sinusoidal, care reflectă raportul dintre valoarea efectivă a armonicilor superioare și valoarea efectivă a armonicii fundamentale a tensiunii rețelei și factorul de creastă a sarcinii, egal cu un raport dintre consumul de curent de vârf și curentul efectiv de sarcină.

De ce sunt periculoase armonicile superioare?

Efectele cauzate de manifestarea armonicilor superioare pot fi împărțite în funcție de durata expunerii în imediate și pe termen lung. Este obișnuit să menționăm instantanee: deformarea formei tensiunii de alimentare, căderea tensiunii în rețeaua de distribuție, efecte armonice inclusiv rezonanța frecvenței armonice, interferențe dăunătoare în rețelele de transmisie a datelor, zgomot în domeniul acustic, vibrații ale utilajelor. Problemele pe termen lung includ: pierderi excesive de căldură în generatoare și transformatoare, supraîncălzirea condensatoarelor și a rețelelor de distribuție (fire).

Armonice și forma tensiunii de linie

Curenții de vârf semnificativi în jumătate din unda sinusoidală a rețelei conduc la o creștere a factorului de creastă.Cu cât curentul de vârf este mai mare și mai scurt, cu atât distorsiunea este mai puternică, în timp ce factorul pieptene depinde de capacitățile sursei de alimentare, de rezistența sa internă - dacă este capabilă să furnizeze un astfel de curent de vârf. Unele surse trebuie supraevaluate în raport cu puterea lor nominală, de exemplu trebuie utilizate înfășurări speciale la generatoare.

Dar sursele de alimentare neîntreruptibilă (UPS) fac față mult mai bine acestei probleme: datorită dublei conversii, sunt capabile să controleze curentul de sarcină în orice moment și să-l regleze folosind PWM, ceea ce evită problemele din cauza coeficientului ridicat de pieptene al curentului. . Cu alte cuvinte, factorul de creastă înalt nu este o problemă pentru un UPS de calitate.

Armonice mai mari și cădere de tensiune

După cum s-a menționat mai sus, UPS-urile gestionează bine factorii de crestă înalți, iar distorsiunea formei de undă a acestora nu depășește 6%. Firele de conectare aici, de regulă, nu contează, sunt destul de scurte. Dar datorită abundenței armonicilor din tensiunea de linie, forma de undă curentă se va abate de la sinusoidală, în special pentru armonicile impare de înaltă frecvență introduse de redresoarele monofazate și trifazate (vezi figura).

Impedanța complexă a rețelei de distribuție este de obicei natura inductivă, prin urmare, armonicile de curent în cantități mari vor duce la căderi semnificative de tensiune pe linii de 100 de metri lungime, iar aceste căderi le pot depăși pe cele admisibile, drept urmare forma tensiunii de pe sarcină va fi distorsionată.

Ca exemplu, observați cum se modifică curentul de ieșire al unui redresor cu diodă monofazată la diferite impedanțe de rețea, în funcție de rezistența filtrului de intrare al unui dispozitiv alimentat cu o intrare fără transformator și de modul în care aceasta afectează forma de undă a tensiunii.

Problema multiplilor armonicilor ai treilea

Al treilea, al nouălea, al cincisprezecelea etc. — armonicile superioare ale curentului de rețea se caracterizează prin coeficienți de amplitudine mare. Aceste armonici provin din sarcini monofazate și efectul lor asupra sistemelor trifazate este destul de specific. Dacă sistemul trifazat este simetric, curenții sunt deplasați unul față de celălalt cu 120 de grade, iar curentul total în firul neutru este zero, — nu există nicio cădere de tensiune pe fir.

Acest lucru este adevărat în teorie pentru majoritatea armonicilor, dar unele armonice sunt caracterizate prin rotația vectorului curent în aceeași direcție cu vectorul curent al armonicii fundamentale. Ca rezultat, în neutru armonicile impare care sunt multipli ai treilea sunt suprapuse una peste alta. Și deoarece aceste armonici sunt majoritare, curentul neutru total poate depăși curenții de fază: să zicem, curenții de fază de 20 de amperi vor da un curent neutru cu o frecvență de 150 Hz la 30 de amperi.

Un cablu proiectat fără a ține cont de influența armonicilor se poate supraîncălzi deoarece, după părere, secțiunea transversală ar fi trebuit mărită. Multiplii armonici ai treilea sunt compensați într-un circuit trifazat cu 360 de grade unul față de celălalt.

Rezonanță, interferență, zgomot, vibrații, încălzire

Reţelele de distribuţie au pericol de rezonanță la armonici de curent sau tensiune mai mari, în aceste cazuri componenta armonică se dovedește a fi mai mare decât frecvența fundamentală, ceea ce afectează negativ componentele și echipamentele sistemului.

Rețelele de transmisie de date situate în apropierea liniilor electrice prin care sunt supuși interferențelor curenții cu armonici mai mari, semnalul de informare din ele se deteriorează, în timp ce cu cât distanța de la linie la rețea este mai mică, cu atât lungimea conexiunii lor este mai mare, cu atât este mai mare. frecvența armonică — cu cât semnalul informațional de distorsiune este mai mare.

Transformatoarele și șocurile încep să facă mai mult zgomot din cauza armonicilor mai mari, motoarele electrice experimentează pulsații în fluxul magnetic, ducând la vibrații de cuplu pe arbore. Mașinile electrice și transformatoarele se supraîncălzi și apar pierderi de căldură. În condensatoare, unghiul de pierdere dielectrică crește cu o frecvență mai mare decât rețeaua și încep să se supraîncălzească, poate apărea o defecțiune dielectrică. Nu este necesar să vorbim despre pierderile din linii din cauza creșterii temperaturii lor ...