Высшие гармоники в сети

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты;

2. Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы);

3. Насыщаемые устройства: трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах проявляются обычно незначительно по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии, что насыщение не происходит.

Что такое гармоники?

Искаженная кривая тока или напряжения может быть разложена на фундаментальную синусоиду (50 Гц) и сумму определенного количества частот кратных 50 Гц. Например, 250 Гц – 5-я гармоника и 350 Гц - 7-я гармоника.

= + + +…

Совокупность определенного количества частот, которые могут быть добавлены к синусоиде 50 Гц для получения существующей формы тока или напряжения и называется гармониками. Соответственно, при изменении их амплитуды, фазы и частоты изменяется кривая тока или напряжения как результат синтеза гармоник.

Нелинейные искажения проявляются как изменение синусоидальности кривой тока или напряжения. Частоты выше фундаментальной (50 Гц) называются гармониками, частоты ниже фундаментальной называются субгармониками.

Для примера на рисунке искаженная кривая представлена как сумма фундаментальной частоты 50 Гц и суммы гармоник 5-ой (250 Гц) и 7-ой (350 Гц).

Искаженная кривая = 50 Гц основная частота + 5-я гармоника (250 Гц) + 7-я гармоника (350 Гц).

Проблемы, создаваемые гармониками:

- дополнительная вибрация в двигателях переменного тока, снижающая ресурс их экс-плуатации;

- повышенные потери на перегрев двигателя и возможное повреждение изоляцион-

ных материалов;

- повышенные потери в обмотках и магнитопроводе трансформатора, приводящие к

выходу последнего из строя;

- появление постоянной составляющей тока или напряжения может вызвать насыще-

ние обмоток и увеличение тока намагничивания;

- перегрев конденсаторов и увеличение тока через них, что снижает срок службы.

Необходим полный и всесторонний анализ электросети предприятия на предмет гар-моник перед внедрением установок компенсации реактивной мощности. Это необходимо потому, что даже если применить конденсаторы на повышенное напряжение и более стойкие к токам перегрузки, мы можем спровоцировать резонанс в сети.

Резонанс происходит, когда индуктивное сопротивление силового трансформатора равно емкостному сопротивлению конденсаторов.

Резонансы подразделяются на два основных типа: последовательный и параллель-ный. Электрическая эквивалентная схема представлена на рисунке.

Гармоника, на которой может произойти резонанс в сети, определяется формулой:

где: N – номер гармоники на которой вероятно возникновение резонансных явлений;

Pк.з. – мощность короткого замыкания в сети (МВА);

Q – мощность конденсаторной установки (квар);

S – номинальная мощность силового трансформатора;

Uк.з. – напряжение короткого замыкания (%), указано на шильдике трансформатора, либо заявляется производителем;

При параллельном резонансе в сети, напряжение и ток в цепи “силовой трансформатор – конденсаторная установка” резко возрастают при воздействии резонансной гармоники.

Пример:

S = 630 кВА мощность силового трансформатора ТМ -630/6/0,4

Uк.з. = 6 % – напряжение короткого замыкания трансформатора

Q = 300 квар – мощность конденсаторной установки КРМ (УКМ58)-0,4-300

Таким образом, мы видим, что система силовой трансформатор – конденсаторная установка имеет частоту параллельного резонанса 300 Гц = 50 Гц · 6. Поэтому оптимальным решением для этого случая будет использование расстроенных дросселей включенных последовательно с конденсаторами и сдвигающими частоту резонанса системы ниже самой низкой из частот присутствующих в сети гармоник.

Резонансная частота без расстроенного дросселя определяется как:

Резонансная частота с расстроенным дросселем определяется как:

Обычно резонансная частота между конденсатором и последовательно включенным расстроенным дросселем ниже 250 Гц и находится в интервале 135 – 210 Гц. Установка расстроенного дросселя последовательно с конденсаторной установкой определяет частоту последовательного резонанса.

Если в сети присутствует гармоника тока с частотой, равной частоте последовательного резонанса, то она полностью поглощается системой конденсатор – расстроенный дроссель. На этом принципе основана реализация настроенных фильтров. Такое применение необходимо, когда мы хотим снизить общее гармоническое искажение тока THD в системе, которое определяется по формуле:

,

где:

I1 – ток основной частоты 50 Гц

I2,3...n– токи гармоник.

Источники (усилители) гармоник:

• тиристорные контроллеры;

• частотные приводы;

• устройства плавного пуска двигателя;

• конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (без фильтров);

• полупроводники;

• дуговая сварка;

• трансформаторы, реакторы;

• нелинейная нагрузка, искажающая форму кривой тока.

Процесс инжиниринга для подавления гармоник:

• сбор данных (состояние системы, гармонический спектр, THD предел);

• построение карты импедансов системы;

• расчет импеданса гармоник и определение порядка фильтра;

• расчет перетоков гармоник;

• моделирование на специализированном ПО;

• проверка возможных ненормальных резонансов в системе и вероятности усиления

гармоник;

• разработка и производство системы подавления гармоник;

• проверка системы после инсталляции;

• отчет о проделанных измерениях и внедренном оборудовании.