Проблеми вищих гармонік у мережах електроживлення

Рівень складності обладнання у сфері комп’ютерних технологій постійно зростає. Тому системи забезпечення якості електропостачання мають бути розроблені таким чином, щоб вони були здатні впоратися з широким спектром проблем, починаючи від провалів, коливань, викидів напруги, високочастотних шумів, імпульсних перешкод та закінчуючи забезпеченням електроживленням за повної відсутності напруги промислової мережі. Однією з таких проблем є спотворення форми напруги, викликані гармонійними складовими струму, що споживається нелінійним навантаженням.

Ступінь спотворень може бути визначена коефіцієнтом спотворення синусоїдальності Кі — відношенням діючого значення вищих гармонійних до дійсного значення основної (першої) гармоніки, та коефіцієнтом амплітуди (хрест-фактором) навантаження Ка — відношенням пікового значення споживаного струму до його дійсного значення.

Ефекти, що викликаються вищими гармоніками напруги та струму.

Останні можуть бути поділені на ефекти миттєвого та тривалого виникнення.

Проблеми миттєвого виникнення включають:

  • спотворення форми напруги живлення;
  • падіння напруги у розподільчій мережі;
  • ефект гармонік, кратних трьох (у трифазних мережах);
  • резонансні явища на частотах найвищих гармонік;
  • наведення у телекомунікаційних та керуючих мережах;
  • підвищений акустичний шум у електромагнітному устаткуванні;
  • вібрація у електромашинних системах.

Проблеми тривалого виникнення включають:

  • нагрівання та додаткові втрати у трансформаторах та електричних машинах;
  • нагрівання конденсаторів;
  • нагрівання кабелів розподільної мережі.

Розглянемо докладніше причини виникнення зазначених ефектів та можливі шляхи та засоби їх вирішення.

Форма напруги живлення.

Підвищене значення коефіцієнта амплітуди, вказує на те, що є великий пік споживаного струму за половину періоду частоти мережі. Чим вище пікове значення струму і менше його тривалість за півперіод напруги мережі, тим більше його спотворення. Коефіцієнт амплітуди струму даного навантаження змінюється залежно від характеру джерела електроживлення, у той час як здатність самого джерела до забезпечення навантажень з великим коефіцієнтом амплітуди визначається його повним внутрішнім опором та його здатністю забезпечувати пікові значення струму, що споживається від нього.

Для багатьох пристроїв, що виконують функції джерел живлення, така здатність може бути досягнута лише завищенням номінальних параметрів цього обладнання. Зокрема, в сучасних генераторних установках змінного струму надперехідний реактивний опір становить приблизно 15%, що справляє досить несприятливий вплив на форму напруги, якщо не використовуються спеціальні обмотки або потужність генератора не буде обрано завідомо завищеною.

Падіння напруги у розподільній мережі.

Більшість ДБЖ здатна живити навантаження з високим значенням коефіцієнта амплітуди, причому коефіцієнт спотворення синусоїдності напруги не перевищує 3-6%. Однак це рівень спотворень напруги, що отримується при вимірах на вихідних клемах самих ДБЖ, але не в місцях підключення навантаження!

Слід враховувати, що форма струму через високий відсотковий зміст вищих гармонік сильно відрізнятиметься від синусоїдальної. Форми струмів для однофазного (малюнок 1) та трифазного (малюнок 2) випрямлячів характеризуються певним відсотковим вмістом непарних високочастотних гармонік. Відповідні спектри таких струмів наведено малюнки 3, 4.

Малюнок 1 — Форма струму однофазного випрямляча


Малюнок 2 — Форма струму трифазного випрямляча


Малюнок 3 — Спектр входного струму однофазного випрямляча


Малюнок 4 — Спектр входного струму трифазного випрямляча

Повний опір розподільчої мережі має значною мірою індуктивний характер. Тому при дуже високому змісті гармонік струмів відповідне падіння напруги на кабелях і проводах стає набагато вищим від гранично допустимих значень, і в типових розподільчих системах з кабельними трасами довжиною більше 100 метрів може відбуватися сильне спотворення напруги на навантаженні. Прикладом таких спотворень може бути графіки струму та напруги на вході однофазного випрямляча залежно від величини відносної реактивної складової опору вхідного фідера або внутрішнього опору джерела живлення випрямляча (малюнок 5)

Малюнок 5 — Форми напруги і струму на вході однофазного безтрансформаторного випрямляча в залежності від відносної реактивної складової опору вхідного фідера.

Ефект гармонік кратних третьої.

Вищі гармоніки струму кратні трьом (тобто 3, 9, 15, 21 і т. д.), що визначають високе значення коефіцієнта амплітуди та генеруються однофазними навантаженнями, мають специфічний результуючий вплив у трифазних системах. У збалансованій (симетричній) трифазній системі гармонійні (синусоїдальні) струми у всіх трьох фазах зсунуті на 120 градусів по відношенню один до одного, і в результаті сума струмів у нейтральному провіднику дорівнює нулю. Отже, немає і падіння напруги на провіднику нейтралі в кабелі.

Це твердження залишається справедливим для більшості гармонік. Однак деякі з них мають напрямок обертання вектора струму в той самий бік, що і основна гармоніка (перша, «фундаментальна», тобто 50 Гц), тобто вони мають пряму послідовність. Інші обертаються у зворотному напрямку і, таким чином, мають зворотну послідовність. Це не стосується гармонік, кратних третьої:

n = 3 (2 k + 1) , де k = 0, 1, 2, … (1)

У трифазних ланцюгах вони зсунуті на 360 градусів один до одного, збігаються по фазі та утворюють нульову послідовність. Непарні гармоніки, кратні третьої, сумуються у провіднику нейтралі (малюнок 6).


Малюнок 6 — Процес формування струму нейтралі при нелінійному навантаженніе

В результаті, з урахуванням того, що вони складають велику частку в діючому значенні фазних струмів, загальний струм нейтралі може перевищувати фазні струми.

Так, наприклад, при фазних струмах рівних 37 А струм нейтралі становить 55 А при частоті, що дорівнює 150 Гц. Неправильно спроектовані чотирипровідні кабелі трифазних мереж можуть перегріватися аж до займання, підтверджуючи цим необхідність збільшення перерізу провідників нейтралі трифазних кабелів мережі електроживлення комп’ютерного обладнання. Гармоніки, кратні третьої, призводять до падінь напруги як в нейтралі, так і фазних провідниках, викликаючи спотворення форми напруги на інших навантаженнях, підключених до цієї мережі.

Крім зазначеного вище, в лінійних напругах трифазної мережі будуть відсутні гармоніки, кратні трьом, у зв’язку з чим співвідношення між фазними та лінійними напругами, при несинусоїдальному струмі стає менше, ніж √3.

Резонансні явища на частотах вищих гармонік.

За наявності вищих гармонік в електричних колах із зосередженими та розподіленими параметрами, якими можуть бути представлені блоки, вузли та розподільчі мережі системи електроживлення, виникає небезпека появи резонансних явищ. При виникненні резонансного або близького до нього режиму на будь-якій вищій гармоніці струму або напруги ця складова виявляється більшою, ніж амплітудне значення першої гармоніки струму (напруги) на тих же ділянках ланцюга. Це негативним чином може позначитися на працездатності окремих елементів та вузлів системи.

Наведення в телекомунікаційних та керуючих мережах.

Коли телекомунікаційні чи керуючі мережі проходять поблизу силових мереж, якими протікають струми вищих гармонік, у перших можуть наводитися перешкоди та спотворення інформаційного сигналу. Величина спотворення залежатиме від частоти вищих гармонік, довжини паралельних ділянок мереж та відстані між ними.

Акустичний шум.

У трансформаторах, дроселях та інших електромагнітних елементах найвищі гармоніки струму, створюючи електродинамічні зусилля, викликають додаткові акустичні шуми.

Вібрація в електромашинних системах.

Наявність вищих гармонік у напрузі живлення індукційних електродвигунів є причиною виникнення в магнітному потоці складових на частотах вищих гармонік, які у свою чергу наводитимуть гармоніки ЕРС і, як наслідок цього, в обмотках ротора з’являються вищі гармоніки струму. Ці гармоніки взаємодіятимуть з основним магнітним потоком, створюючи додаткові механічні моменти на валу електричної машини. В результаті створюються гармонійні пульсації крутного моменту на валу двигуна. В екстремальних випадках може виникнути вібрація на резонансній частоті маси ротора, що обертається, що призводить до накопичення втоми металу і можливого розриву валу ротора електродвигуна.

Нагрів та додаткові втрати у трансформаторах та електричних машинах.

Додаткові втрати, що викликають перегрів трансформаторів за наявності вищих гармонік, виникають через скін-ефект у міді обмотки (збільшення активного опору обмотки зі зростанням частоти), а також збільшенням втрат на гістерезис та вихрові струми в магнітопроводі трансформатора.

В електричних машинах, крім аналогічних втрат у статорі (втрати в міді та магнітопроводі), через значну різницю в швидкостях обертових магнітних полів, створюваних вищими гармоніками, і швидкістю обертання ротора виникають додаткові втрати в демпферних обмотках ротора та магнітопроводі електричної машини.

Нагрівання конденсаторів.

Додаткові втрати за наявності вищих гармонік у конденсаторах обумовлені збільшенням «кута втрат» у діелектриці та зростанням діючого значення струму конденсатора. Перегрів, що виникає, в конденсаторі може призводити до пробою діелектрика. Крім цього, конденсатори чутливі до перевантажень, що викликається присутністю вищих гармонік напруги.

Нагрівання кабелів розподільчої мережі.

Додаткові втрати в кабелях силової мережі, що призводять до підвищення температури провідників, за наявності вищих гармонік струму спричиняються такими основними причинами:

  • збільшенням чинного значення негармонічного струму;
  • збільшенням активного опору провідника через скін-ефект;
  • збільшенням втрат у діелектриці ізоляції кабелю.

Можливі засоби вирішення проблеми.

Різні методи можуть використовуватися, щоб спробувати послабити вплив проблем, викликані вищими гармоніками струму при навантаженнях з високим значенням коефіцієнта амплітуди.

Забезпечення симетричного режиму роботи трифазної системи.

Насамперед необхідно домогтися наскільки це можливо, збалансованості навантажень по фазах. При цьому забезпечується мінімальний струм у провіднику нейтралі, та мінімальний вміст гармонік. Не завжди можна одночасно виконати обидві ці функції. Незбалансоване навантаження впливає на напругу, викликаючи її спотворення. Хоча воно і відносно мало за величиною, але також додається до загальних спотворень у кабелі. Зазвичай переважають ті спотворення напруги, які згенеровані у розподільчій мережі.

Одним із раціональних способів симетрування однофазних навантажень у трифазній мережі є використання стабілізатора фаз СФТСЗ. І тут розвантажується нейтраль, т.я. зрівнювальні струми повністю компенсуються у стабілізаторі.

Включення в систему роздільного трансформатора з обмотками «трикутник-зірка».

Цей метод використовувався практично, але не завжди з успіхом. Передбачалося, що в цьому випадку трансформатор не пропускає гармоніки, кратні третьої, і відсутність провідника нейтралі на стороні первинної обмотки виключає падіння напруги на нейтралі. Але таке твердження виявилося правильним лише частково. Збалансовані гармоніки, кратні третьої, наводять відповідні магнітні потоки в стрижнях сердечника трансформатора і якщо вони рівні за величиною і збігаються по фазі, то напруги, наведені в первинній обмотці, будуть скомпенсовані.

Крім цього, будь-який трансформатор має індуктивність розсіювання, яка додається до існуючого повного вхідного опору розподільчої мережі. Це може мати ефект зменшення коефіцієнта амплітуди струму навантаження, та сумарного значення коефіцієнта спотворень синусоїдальності струму.

Використання фільтрів придушення гармонік.

Третя гармоніка є домінантною за своїм найбільш несприятливим впливом в однофазних ланцюгах. Включення в схему фільтра, який має низький повний опір на частоті цієї гармоніки, знижує напругу, що генерується нелінійним навантаженням. Застосування таких фільтрів у разі систем безперебійного живлення найбільше успішно для компенсації ефекту незбалансованих навантажень, які мають тенденцію генерувати високі рівні гармонік. Тоді струми третьої гармоніки циркулюють між навантаженням та фільтром, частково знижуючи сумарний струм у провіднику нейтралі.

Функцію такого фільтра повністю виконує «Стабілізатор фаз», оскільки пригнічує всі гармоніки кратні трьом.

Зниження повного опору розподільчої мережі.

Це один із ефективних методів зниження нелінійних спотворень. Кабелі та збірні шини мають повний опір, який прямо пов’язаний із довжиною ліній. Збільшення перерізу кабелів (проводів) знижує активний опір розподільчої мережі, але знижує її індуктивність. Максимальний ефективний переріз жил кабелів (проводів) становить приблизно 95 кв. мм. З подальшим збільшенням перерізу кабелів їхня індуктивність залишається відносно постійною. Очевидно, що ефективнішим буде використання паралельно з’єднаних кабелів (дротів). При можливості використання децентралізованої системи безперебійного живлення слід розглянути поділ всього інстальованого обладнання (тобто пристроїв, що входять до складу навантаження, що захищається) на секції, кожна з яких буде живитися від окремого джерела живлення.

Слід пам’ятати у тому, що нехтуючи нормами електромагнітної сумісності устаткування, можливе зростання рівня спотворень, т.я. нелінійне навантаження безпосередньо буде приєднано до первинного джерела змінної напруги (генератор, трансформатор підстанції тощо). Форма напруги мережевого електроживлення часто буває спотворена через інші навантаження, що не належать до критичних, але мають характеристики, подібні до комп’ютерного та офісного обладнання. Спотворення форми напруги електроживлення, згенеровані іншим обладнанням, додадуться до спотворень від комп’ютерного навантаження, яке було переключено на живлення безпосередньо від мережі, створюючи таким чином вищі рівні спотворень.

div#stuning-header .dfd-stuning-header-bg-container {background-image: url(http://energyall.com.ua/wp-content/uploads/2018/05/Osciloscope.jpg);background-size: cover;background-position: top center;background-attachment: scroll;background-repeat: no-repeat;}#stuning-header div.page-title-inner {min-height: 200px;}