Откуда берутся гармоники

Причины появления высших гармоник в современных системах электроснабжения

Электрооборудование современного мира все более усложняется, особенно это касается IT-технологий. В связи с данной тенденцией, системы обеспечения качества электроэнергии должны удовлетворять этим запросам: они просто обязаны легко справляться с колебаниями, выбросами, провалами напряжения, с шумами, импульсными помехами и т. д., чтобы промышленная сеть и присоединенные к ней потребители могли бы нормально функционировать.

Изменение формы сетевого напряжения из-за гармоник, вызываемых нелинейными нагрузками, — вот одна из основных проблем, которую необходимо решать. В рамках данной статьи мы рассмотрим всесторонние аспекты этой проблемы.

В чем заключается суть проблемы

Основная доля нынешней оргтехники, компьютерного, офисного, мультимедийного оборудования — это по большому счету нелинейные нагрузки, которые, будучи подключены к общей сети электроснабжения в огромном количестве, искажает форму напряжения сети.

Это искаженное напряжение болезненно воспринимается другими электроприборами, и иногда оно сильно нарушает их нормальную работу: вызывает сбои, перегревы, сбивает синхронность, порождает помехи в сетях передачи данных, — в общем, переменное напряжение несинусоидальной формы способно причинить оборудованию, процессам, и людям целый ряд неудобств, в том числе материальных.

Искажение напряжения как таковое описывается парой коэффициентов: коэффициентом синусоидальности, отражающим отношение действующей величины высших гармоник к действующей величине основной гармоники сетевого напряжения, и коэффициентом амплитуды нагрузки, равным отношению пикового тока потребления к действующему току нагрузки.

Чем опасны высшие гармоники

Эффекты, вызываемые проявлением высших гармоник можно разделить по продолжительности воздействия на мгновенные и длительные. К мгновенным принято относить: искажение формы напряжения питания, падение напряжения на распределительной сети, эффекты от гармоник, в том числе резонанс на частоте гармоник, вредные наводки на сети передачи данных, шум в акустическом диапазоне, вибрация машин. К проблемам длительным относятся: избыточные потери на нагрев в генераторах и трансформаторах, перегрев конденсаторов и распределительных сетей (проводников).

Высшие гармоники и форма сетевого напряжения

Значительный пиковый ток в половину сетевой синусоиды дает повышение коэффициента амплитуды. Чем выше и короче токовый пик — тем сильнее искажение, при этом коэффициент амплитуды зависит от возможностей источника питания, от его внутреннего сопротивления — способен ли он отдать такой пиковый ток. Некоторые источники необходимо завышать по номинальной мощности, например применять специальные обмотки в генераторах.

А вот источники бесперебойного питания (ИБП) заметно лучше справляются с данной проблемой: за счет двойного преобразования они в состоянии контролировать ток нагрузки в каждый момент времени, и посредством ШИМ регулировать его, что позволяет избежать проблем из-за высокого коэффициента амплитуды тока. Другими словами, большой коэффициент амплитуды тока — не проблема для качественных ИБП.

Высшие гармоники и падение напряжения

Как отмечалось выше, ИБП хорошо справляются с высоким коэффициентом амплитуды, и искажения формы для них не превышают 6%. Соединительные провода здесь, как правило, не имеют особого значения, они достаточно короткие. Но из-за обилия гармоник в сетевом напряжении, форма тока отклонится от синусоидальной, особенно это касается нечетных высокочастотных гармоник, вносимых однофазными и трехфазными выпрямителями (см. рисунок).

Комплексное сопротивление распределительной сети носит в целом индуктивный характер, поэтому гармоники токов в большом количестве приведут к значимым падениям напряжения на линиях длиной от 100 метров, и эти падения могут превысить допустимые, в итоге форма напряжения на нагрузке окажется искажена.

В качестве примера обратите внимание, как изменяется ток на выходе однофазного диодного выпрямителя при различных импедансах сети, в зависимости от сопротивления входного фильтра питаемого устройства с бестрансформаторным входом, и как это влияет на форму напряжения.

Проблема гармоник кратных третьей

Третья, девятая, пятнадцатая и т.д — высшие гармоники сетевого тока отличаются высокими коэффициентами амплитуды. Данные гармоники возникают из-за однофазных нагрузок, и действие их на трехфазные системы довольно специфично. Если трехфазная система симметрична, токи сдвинуты между собой на 120 градусов, и суммарный ток в нейтральном проводнике равен нулю, — на проводнике нет падения напряжения.

Это справедливо в теории для большинства гармоник, но для некоторых гармоник характерно вращение вектора тока в ту же сторону, что и вектор тока основной гармоники. В итоге в нейтрали накладываются друг на друга нечетные гармоники кратные третьей. А так как этих гармоник большинство — суммарный ток нейтрали может превысить фазные: скажем, фазные токи по 20 ампер дадут ток нейтрали частотой 150 Гц в 30 ампер.

Кабель, спроектированный без учета влияния гармоник, может перегреться, ведь по уму его сечение должно было быть увеличено. Гармоники кратные третьей сдвинуты в трехфазной цепи на 360 градусов относительно друг друга.

Резонанс, наводки, шум, вибрации, нагрев

В распределительных сетях имеется опасность возникновения резонанса на высших гармониках тока или напряжения, в этих случаях составляющая гармоники оказывается выше основной частоты, что отрицательно сказывается на узлах системы и на оборудовании.

Сети передачи данных, проложенные неподалеку от силовых линий, по которым текут токи высших гармоник, подвергаются помехам, информационный сигнал в них портится, при этом чем меньше расстояние от линии до сети, чем больше их совместная протяженности, чем выше частота гармоники — тем больше искажение информационного сигнала.

Трансформаторы и дроссели начинают больше шуметь из-за высших гармоник, электродвигатели испытывают пульсации магнитного потока, что приводит к вибрациям момента на валу. Электрические машины и трансформаторы перегреваются, возникают потери электроэнергии на нагрев. В конденсаторах повышается угол диэлектрических потерь на частоте выше сетевой, и они начинают перегреваться, может случиться пробой диэлектрика. Что и говорить о потерях в линиях в связи с повышением их температуры.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Что такое гармоники и как они «появляются»?

Прочитав так много источников в Интернете, я до сих пор не могу понять, почему разные волновые формы имеют гармоники.

Например: при разработке схемы глупой амплитудной модуляции (АМ), которая помещает прямоугольную волну от микроконтроллера в антенну, как генерируются гармоники? Сигнал просто «включен» или «выключен», как появляются первая, третья и пятая гармоники и почему они становятся слабее?

Я слышал, что осциллографы могут измерять с точностью до пятой гармоники прямоугольной волны (или чего-то подобного), но почему это делает чтение другим? Являются ли эти гармоники несущественными в таких вещах, как передача данных (высокий = 1, низкий = 0), и имеют значение только в таких ситуациях, как аудио или RF?

Почему синусоидальные волны не имеют столько гармоник? Потому что форма волны всегда движется и не плоская, идущая вверх (треугольник) или горизонтальная (квадрат), а круговая с постоянно меняющимся значением?

Синусоидальные волны не имеют гармоник, потому что именно синусоидальные волны, которые в совокупности могут создавать другие формы волны. Основная волна — это синус, поэтому вам не нужно ничего добавлять, чтобы сделать ее синусоидальным сигналом.

Про осциллограф. Многие сигналы имеют большое количество гармоник, некоторые, как прямоугольная волна, в теории бесконечны.

Это частичная конструкция прямоугольной волны. Синий синус, который показывает 1 период, является основным. Тогда есть третья гармоника (у прямоугольных волн нет даже гармоник), фиолетовая. Его амплитуда составляет 1/3 от основной, и вы можете видеть, что она в три раза превышает частоту основной, потому что она показывает 3 периода. То же самое для пятой гармоники (коричневый). Амплитуда составляет 1/5 от основной и показывает 5 периодов. Добавление их дает зеленую кривую. Это еще не хорошая прямоугольная волна, но вы уже видите крутые края, и волнистая горизонтальная линия в конечном итоге станет полностью горизонтальной, если мы добавим больше гармоник. Так вот, как вы увидите прямоугольную волну на прицеле, если будет показана только пятая гармоника. Это действительно минимум, для лучшей реконструкции вам понадобится больше гармоник.

Как и любой несинусоидальный сигнал, AM-модулированный сигнал создает гармоники. Фурье доказал, что каждый повторяющийся сигнал может быть разложен на фундаментальную (ту же частоту, что и форма волны) и гармоники, частоты которых кратны фундаментальной. Это относится даже к неповторяющимся сигналам. Поэтому, даже если вы не видите, как они выглядят, анализ всегда возможен.

Это основной АМ-сигнал, а модулированный сигнал является произведением несущей и сигнала основной полосы частот. В настоящее время

s i n ( f C ) ⋅ s i n ( f M ) = c o s ( f C − f M ) − c o s ( f C + f M ) 2

Таким образом, вы можете видеть, что даже произведение синусов можно выразить как сумму синусов, то есть оба косинуса (их гармоника может быть смещена по фазе, в данном случае на 90 °). Частоты и являются боковыми полосами слева и справа от несущей частоты . ( f C − f M ) ( f C + f M ) f C

Даже если ваш сигнал основной полосы является более сложным, вы можете разделить модулированный сигнал на отдельные синусоиды.

Ответ Pentium100 довольно полный, но я бы хотел дать более простое (хотя и менее точное) объяснение.

Причина, по которой синусоиды имеют (в идеале) только одну гармонику, заключается в том, что синус — это «самый плавный» периодический сигнал, который вы можете иметь, и поэтому он является «лучшим» с точки зрения непрерывности, выводимости и т. Д. По этой причине удобно выражать волновые формы в виде синусоидальных волн (вы можете сделать это и с другими волнами, а также с ). C ∞

Просто пример: почему в воде вы обычно видите изогнутые волны? (ради этого игнорируйте эффект пляжа или ветра) Опять же, это потому, что форма требует меньше энергии для формирования, так как все скаты и края гладкие.

В некоторых случаях, например, орган Хаммонда , синусоиды фактически используются для составления сигнала, потому что при разложении возможно синтезировать много (практически всех) звуков.

Есть красивая анимация от LucasVB, объясняющая разложение Фурье прямоугольной волны:

Эти изображения лучше объясняют разложение прямоугольной формы по гармоникам:

Вы можете разложить любую форму волны на бесконечную серию синусоид, сложенных вместе. Это называется анализом Фурье (если исходный сигнал повторяется) или преобразованием Фурье (для любого сигнала).

В случае повторяющегося сигнала (например, прямоугольной волны), когда вы выполняете анализ Фурье, вы обнаруживаете, что все синусы, составляющие сигнал, имеют частоты, которые являются целым числом, кратным частоте исходного сигнала. Они называются «гармониками».

Синусоидальная волна будет иметь только одну гармонику — основную (ну, это уже синус, поэтому она состоит из одного синуса). Прямоугольная волна будет иметь бесконечный ряд нечетных гармоник (то есть, чтобы сделать прямоугольную волну из синусов, вам нужно добавить синусы каждого нечетного кратного основной частоты).

Гармоники генерируются путем искажения синусоиды (хотя вы можете генерировать их отдельно).

Почему это важно:

1. Вы можете создать синусоидальную волну из любой волны фиксированной частоты, если у вас есть фильтр, который пропускает основную частоту, но блокирует 2-кратную частоту (как если бы вы оставили только одну гармонику на месте).
2. На самом деле, вы можете создать синусоидальную волну, которая имеет частоту, отличную от оригинальной — просто используйте полосовой фильтр, чтобы пропустить нужную вам гармонику. Вы можете использовать это, чтобы получить синусоидальную частоту, кратную частоте другого синуса — просто исказите исходный синус и выберите нужную гармонику.
3. ВЧ-системы должны выдавать сигналы, которые не содержат гармоник за пределами допустимого диапазона частот. Вот как источник питания ШИМ (рабочая частота

Производная — скорость изменения — синусоиды является другой синусоидой с той же частотой, но сдвинутой по фазе. Реальные компоненты — провода, антенны, конденсаторы — могут следить за изменениями (напряжения, тока, напряженности поля и т. Д.) Производных, а также за исходным сигналом. Скорости изменения сигнала, скорости изменения сигнала, скорости изменения скорости изменения сигнала и т. Д. Все существуют и являются конечными.

Гармоники прямоугольной волны существуют потому, что скорость изменения (первая производная) прямоугольной волны состоит из очень высоких, внезапных пиков; бесконечно высокие пики, в предельном случае так называемой идеальной прямоугольной волны. Реальные физические системы не могут следовать за такими высокими скоростями, поэтому сигналы искажаются. Емкость и индуктивность просто ограничивают их способность быстро реагировать, поэтому они звонят.

Точно так же, как колокол не может быть ни смещен, ни искажен со скоростью, с которой он ударился, и поэтому он накапливает и высвобождает энергию (вибрируя) с более медленной скоростью, так и цепь не реагирует со скоростью, с которой он поражается шипы, которые являются краями прямоугольной волны. Это также звонит или колеблется, поскольку энергия рассеивается.

Один концептуальный блок может исходить из концепции гармоник, которые по частоте выше, чем фундаментальные. То, что мы называем частотой прямоугольной волны, — это количество переходов, которые она совершает за единицу времени. Но вернемся к этим производным — скорость изменения сигнала огромна по сравнению со скоростью изменения синусоиды на той же частоте. Здесь мы сталкиваемся с более высокими частотами компонентов: эти высокие скорости изменения имеют признаки более высоких частот синусоидальных волн . Высокие частоты обусловлены высокими скоростями изменения квадратного (или другого несинусоидального) сигнала.

Быстрый нарастающий фронт типичен не для синусоиды на частоте f , а для синусоиды гораздо более высокой частоты. Физическая система следует этому как можно лучше, но, будучи ограниченным по скорости, гораздо больше реагирует на низкочастотные компоненты, чем на более высокие. Поэтому мы замедляем людей, видим большую амплитуду, более низкие частотные характеристики и называем это f !

С практической точки зрения, причина, по которой гармоники «появляются», заключается в том, что схемы линейной фильтрации (а также множество схем нелинейной фильтрации), предназначенные для обнаружения определенных частот, будут воспринимать определенные низкочастотные сигналы как интересующие их частоты. Чтобы понять почему, представьте себе большую пружину с очень тяжелым весом, которая прикреплена к рукоятке через довольно свободную пружину. Вытягивание за ручку не будет сильно перемещать тяжелый груз напрямую, но большая пружина и груз будут иметь определенную резонансную частоту, и если вы будете перемещать ручку назад и вперед на этой частоте, вы можете добавить энергию к большому весу и пружине. увеличивая амплитуду колебаний до тех пор, пока она не станет намного больше, чем можно было бы произвести «напрямую», потянув за свободную пружину.

Наиболее эффективный способ передачи энергии в большую пружину — это вытягивание плавного рисунка, соответствующего синусоиде — того же рисунка движения, что и у большой пружины. Другие модели движения будут работать, однако. Если перемещать ручку по другим схемам, часть энергии, которая поступает в узел с пружинным грузом во время частей цикла, будет отводиться во время других. В качестве простого примера, предположим, что человек просто заклинивает рукоятку до крайних концов хода со скоростью, соответствующей резонансной частоте (эквивалентной прямоугольной волне). Перемещение рукоятки от одного конца к другому так же, как вес достигает конца хода, потребует намного больше работы, чем ожидание того, чтобы вес сначала сдвинулся назад, но если в этот момент рукоять не переместится, пружина на ручке будет бороться с весом » Попытка вернуться в центр. Тем не менее, четкое перемещение ручки из одного крайнего положения в другое, тем не менее, будет работать.

Предположим, что весу требуется одна секунда, чтобы качаться слева направо, и еще одна секунда, чтобы качаться назад. Теперь рассмотрим, что случится, если один переместит ручку из одного крайнего движения в другое, которое раньше, но задержится на три секунды с каждой стороны вместо одной секунды. Каждый раз, когда кто-то перемещает рукоятку из одной крайности в другую, вес и пружина будут по существу иметь то же положение и скорость, что и две секунды ранее. Следовательно, к ним будет добавлено столько энергии, сколько было бы за две секунды до этого. С другой стороны, такое прибавление энергии будет происходить только на треть чаще, чем когда «задержка времени» составляла всего одну секунду. Таким образом, перемещение рукоятки назад и вперед с частотой 1/6 Гц добавит к весу в три раза больше энергии в минуту, чем при перемещении рукоятки назад и вперед с частотой 1/2 Гц. Подобное происходит, если перемещать рукоятку назад и вперед на 1/10 Гц, но, поскольку движения будут на 1/5 так же часто, как на 1/2 Гц, мощность будет 1/5.

Теперь предположим, что вместо того, чтобы время задержки было нечетным кратным, каждый делает его четным (например, две секунды). В этом сценарии положение веса и пружины для каждого движения слева направо будет таким же, как и его положение при следующем движении справа налево. Следовательно, если ручка добавляет энергию к пружине в первой, такая энергия будет по существу отменена последней. Следовательно, весна не будет двигаться.

Если вместо того, чтобы совершать экстремальные движения с рукояткой, ее перемещают более плавно, то при более низких частотах движения рукоятки может быть больше раз, когда кто-то борется с движением комбинации вес / пружина. Если перемещать рукоятку в форме синусоидальной волны, но на частоте, существенно отличающейся от резонансной частоты системы, энергия, передаваемая в систему при нажатии «правильного» пути, будет довольно хорошо уравновешена принимаемой энергией. выход из системы толкает «неправильный» путь. Другие модели движения, которые не так экстремальны, как прямоугольная волна, будут, по крайней мере, на некоторых частотах, передавать в систему больше энергии, чем вынимается.

Что такое гармоники и как они «появляются»?

Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это в свою очередь становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т.д.

Откуда же берутся эти гармонические составляющие?

Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность, емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.

Связано это в первую очередь с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.

Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих, так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники 3-го порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники 5-го порядка – 250 Гц и т.д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.

Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12 %. Также в этом ГОСТ приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для 3-ей гармоники это 5%, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.

Немного расчётов

Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total Harmonic Distorsions).

U (1) – действующее значение напряжения 1-ой гармоники

U (2), U (3) … U (40) – действующие значения напряжения высших гармоник.

Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты.

Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения

n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте

По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.

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.

Пятая гармоника имеет частоту в пять раз выше частоты основной гармоники. На рисунке отметки с цифрами.

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.

Смотрите также другие статьи :

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.

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…

Основные характеристики гармоник

Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.

• Порядковый номер гармоники — это число,показывающее во сколько раз частота гармонической составляющей превышает частоту основной гармоники.
• Частота гармоники определяется путем умножения порядкового номера гармоники на значение основной частоты — 50 Гц.
• По типу последовательности разделяют гармоники прямой, обратной и нулевой последовательности. Гармоники 4, 7, 10, 13 и т. д. порядка образуют симметричную систему напряжений прямой последовательности, то есть совпадающей с последовательностью фаз первой гармоники. Гармоники 2, 5, 8, 11, 14 и т.д. образуют системы напряжений обратной последовательности по отношению к основной частоте. Гармоники с порядковым номером, кратным третьей гармоники (3, 6, 9, 12 и.д.) имеют нулевой порядок следования фаз, т.е. совпадают, и, следовательно, образуют симметричные системы нулевой последовательности.

Определение гармоник

График сигнала, который изменяется по синусоидальному закону, имеет вид:

Но это значительно отличается от реальной формы напряжения в электрической сети:

Эти зазубрины и всплески и вызваны гармониками. Мы попытаемся рассказать об этом явлении простыми словами. Изображенный выше график можно представить как сумму сигналов различной частоты и величины. Если всё это сложить, то в результате получится именно такой сигнал. Пример и результат сложения сигналов изображен на графике ниже:

Гармоники различают по номерам, где первая гармоника – это та составляющая, у которой самая большая величина. Однако такое описание слишком кратко. Поэтому давайте приведем формулу определения величины гармоники. Это возможно при гармоническом анализе и разложении в ряд Фурье:

Из этой формулы можно выделить и величины частот и фаз гармонических составляющих электрической сети и любого другого синусоидального сигнала.

Последствия возникновения

Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей?

На самом деле негативных воздействий немало, это увеличение потерь в сетях, перегрев трансформаторов,перегрузки на нейтральных проводах, гармонические шумы, искажение формы синусоидальной кривой, перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности, поверхностный эффект. И это еще перечислены не все негативные последствия данного эффекта. Все эти факторы приводят в конечном итоге к экономическим, энергетическим потерям и сокращению срока службы оборудования.

Поэтому в случае увеличения количества гармоник и их выхода за допустимые пределы, необходимо задуматься о принятии решений для снижения их уровня, при этом предварительно проводятся измерения гармонических искажений, по результату которых уже определяются необходимые меры .

Защита реакторов

Основная проблема в фильтрах гармоник связана с защитой фильтров от перегрузок по току. Фильтры, обеспечивающие требуемую частоту настройки, должны защищаться как от коротких замыканий, так и от перегрузок.

Советуем изучить — Режимы работы синхронных генераторов, рабочие характеристики генераторов

Последние могут возникать по следующим причинам:

1. появление в энергосистеме или смежной энергосистеме новых источников гармоник;
2. повышение уровней гармоник напряжения в месте подключения фильтра;
3. ненормальные режимы нелинейных нагрузок;
4. изменение точки настройки фильтра из-за срабатывания предохранителей в конденсаторной батарее;
5. перенапряжения

Наилучшим способом защиты от перегрузок является установка тепловых реле в каждой фазе фильтра. Такие реле реагируют на действующее значение тока, а время их срабатывания зависит от температуры окружающей среды. Тепловое реле настраивается на срабатывание при таких значениях тока, при которых возникает опасность повреждения фильтра. Обеспечиваемое при этом качество защиты недостижимо при использовании предохранителей и существенно лучше, чем при использовании обычных реле. Выход теплового реле должен быть подключен к цепи отключения встроенных вакуумных выключателей или к выключателю, установленному на линии, идущей к фильтру.

В дополнение к защите от перегрузок, реакторы должны иметь защиту от междуфазных коротких замыканий и замыканий на землю. Защита от междуфазных коротких замыканий обеспечивается путем установки токоограничивающих предохранителей на шинах вводного разъединителя или реле со стороны сети. При использовании реле их выходы должны быть подключены к цепи отключения вводного выключателя или вышестоящего коммутационного аппарата, поскольку большинство коммутационных аппаратов, используемых с конденсаторными батареями фильтров не рассчитаны на отключение токов КЗ.

В случае реакторов со стальным сердечником (что типично для фильтров закрытого исполнения) следует рассмотреть возможность установки токоограничивающих предохранителей на шинах вводного разъединителя даже при наличии вводного выключателя или выключателя, встроенного в корпус фильтра. В данном случае предметом особого внимания является динамическая стойкость обмотки фильтра. При коротком замыкании со стороны нагрузки напряжение сети оказывается полностью приложенным к фильтру, что приводит к его насыщению. Соответственно, его реактивное сопротивление становится таким же, как у воздушного фильтра с аналогичными обмоточными данными. Если возможность насыщения фильтра при токах КЗ не учтена при его проектировании (обычно это не делается из-за цены), следует предусмотреть токоограничивающие предохранители.

Измерение показателей гармоник в сети

Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или по другому анализаторы качества электроэнергии.

Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии, таким как:

• коэффициент мощности
• коэффициент амплитуды
• среднеквадратичные значения тока и напряжения
• значения активной, реактивной и полной мощности
• активной и реактивной энергии в прямом и обратном направлении
• суммарный коэффициент гармоник THD тока и напряжения
• коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения
• дисбаланс напряжения

И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.

Кроме этого, анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы и выходы.

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.

Способы уменьшения гармонических составляющих

На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.

К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей, применение изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник» и «звезда», применение пассивных и активных фильтров.

Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.

Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока, для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока.

Помимо дросселей широко применяются пассивные и активные фильтры.

Падения напряжения в распределительной сети

Большинство ИБП способно питать нагрузки с высоким значением коэффициента амплитуды, причем коэффициент искажения синусоидальности напряжения не превышает 3-6 %. Однако это уровень искажений напряжения, получаемый при замерах на выходных клеммах самих ИБП, но не в местах подключения нагрузки.

Следует учитывать, что форма тока из-за высокого процентного содержания высших гармоник будет сильно отличаться от синусоидальной. Формы токов для однофазного (рис. 1) и трехфазного (рис. 2) выпрямителей характеризуются определенным процентным содержанием нечетных высокочастотных гармоник (таблица 1). [ 3 ] Соответствующие спектры таких токов приведены на рис. 3.

Рис.1. Форма тока однофазного выпрямителя

Рис.2. Форма тока трехфазного выпрямителя

Рис.3. Спектры входных токов выпрямителей: а) однофазного, б) трехфазного

Таблица 1. Спектральный состав тока на входе ИБП (пример — при 100% нагрузке для ИБП без входного фильтра и корректора коэффициента мощности)

N гармоники, n	однофазный ИБП, In / I1 (%)	трехфазный ИБП, In / I1 (%)
1	100	100
3	65,7	—
5	37,7	33
7	12,7	2,7
9	4,4	—
11	5,3	7,3
13	2,5	1,6
15	1,9	—
17	1,8	2,6

Полное сопротивление распределительной сети имеет в значительной степени индуктивный характер. Поэтому при очень высоком содержании гармоник токов соответствующее падение напряжения на кабелях и проводах становится намного выше предельно допустимых значений [ 1 ], и в типичных распределительных системах с кабельными трассами длиной более 100 метров может происходить сильное искажение напряжения на нагрузке. Примером таких искажений может служить графики тока и напряжения на входе однофазного выпрямителя в зависимости от величины относительной реактивной составляющей сопротивления входного фидера или внутреннего сопротивления источника питания выпрямителя (рис. 4) [ 4 ].

Рис.4. Формы напряжения и тока на входе бестрансформаторного однофазного выпрямителя в зависимости от относительной реактивной составляющей сопротивления входного фидера

Пассивный фильтр гармоник

Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).

Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.

Активный фильтр гармоник

Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.

Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.

Обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы

В первую очередь необходимо добиться, насколько это возможно, сбалансированности нагрузок по фазам. При этом обеспечивается минимальный ток в проводнике нейтрали и минимальное содержание гармоник в выходном напряжении ИБП. Соответствующие схемы контроля и управления в ИБП будут поддерживать номинальное действующее значение выходного напряжения, в то же самое время стремясь обеспечить его синусоидальную форму. Не всегда возможно одновременно выполнить обе эти функции. В общем случае несбалансированная нагрузка воздействует на напряжение, вызывая его искажение. Хотя оно и относительно мало по величине, но так же добавляется к общим искажениям в кабеле. Обычно преобладают те искажения напряжения, которые сгенерированы в распределительной сети.

Одним из рациональных способов симметрирования однофазных нагрузок в трехфазной сети является использование ИБП с двойным преобразованием энергии при трехфазном входе и однофазном выходе (3ф / 1ф). В этом случае разгружается нейтраль, т.к. она не участвует в работе трехфазного выпрямителя на входе ИБП, находящейся в нормальном режиме преобразования напряжения. Однако этот эффект пропадает при переходе ИБП на режим Bypass.