Способы уменьшения гармоник
Снижение несинусоидальности напряжения обеспечивается или рациональным построением схемы электрической сети предприятия, при которой коэффициент перекручивания кривой напряжения будет в допустимых границах, или применением специальных схем нелинейных нагрузок, а также корректирующих устройств. На практике, как правило, соединят разные методы.
Наиболее эффективными средствами борьбы с гармониками, очевидно, являются те, которые предотвращают явления, генерирующие гармоники. В частности, во вращающихся машинах число, форма и распределение пазов должны быть подобраны так, чтобы уничтожить по крайней мере гармоники низкого порядка (это хорошо удалось сделать в отношении гармоник 3, 5 и 7-го порядков, несколько хуже — гармоник выше 7-го порядка, а гармоники выше 11-го порядка имеют незначительные коэффициенты).
Подобные конструктивные меры не всегда экономичны, поэтому следует искать оптимальное соотношение между стоимостью аппарата и потерями, вызываемыми гармониками. Это, в частности, относится к трансформаторам, в которых при желании избавиться от гармоник (не превосходя, однако, порога насыщения) надо было бы значительно увеличить сечение сердечников и ярма, а следовательно, вес и стоимость этих аппаратов.
Имеются и такие аппараты, в которых нельзя уменьшить гармоники конструктивными средствами (например, в выпрямителях, металлических ртутных выпрямителях). При этом между аппаратом и системой необходимо располагать устройство, способное помешать гармоникам распространиться в систему. Это устройство является фильтром, иногда состоящим из конденсаторов, иногда образованным сочетанием емкостных и индуктивных сопротивлений, включенных последовательно и параллельно таким образом, чтобы получить полосу пропускания необходимой ширины.
Фильтры, включаемые параллельно, представляют собой цепи с большой полной проводимостью, поглощающие мощности гармоник. Они могут быть дополнены другими фильтрами, включаемыми последовательно в систему и образующими фильтрыпробки. В передачах постоянного тока необходимо установить фильтры, чтобы ограничить доступ в систему гармоник. Для люминесцентных ламп большой мощности применяются устройства компаундирования, представляющие собой фильтр гармоник.
Эффективным является способ, препятствующий распространению гармони за счет применения трансформатора, в котором хотя бы одна из обмоток соединена в «треугольник».
В тех случаях, где гармоники становятся вредными, надо прежде всего избежать их усиления, создавая для них настолько «острый» резонанс, чтобы незначительного изменения емкостных (или индуктивных) сопротивлений установки было достаточно для устранения тех или иных гармоник.
Для конденсаторных батарей, которые весьма чувствительны к перегрузкам гармониками, возможно применение последовательно включаемых индуктивностей для создания таким образом низкочастотного фильтра; На практике процент гармоник напряжений, существующих в системе, почти всегда достаточно мал и не вызывает опасного нагрева конденсаторных батарей (при отсутствии других резонансных явлений)
Можно исключить гармоники 3-го порядка, соединяя обмотки в «треугольник» и этим создавая для них короткое замыкание, поскольку они униполярны.
Учитывая, что большинство офисов располагается в зданиях, не рассчитанных на значительный рост нелинейных нагрузок, необходим особый подход к эксплуатации систем электроснабжения этих построек. Действия по предупреждению негативного воздействия высших гармоник:
Выделить полную номенклатуру всех электропотребителей общего назначения, относящихся к категории нелинейных и вызывающих генерацию повышенной доли высших гармоник в сетях электроснабжения.
Провести диагностику состояния сети электропитания для предупреждения пожароопасных и аварийных ситуаций на объектах с долей установленной мощности нелинейных электропотребителей 10% и выше. Дать прогноз работы сети электропитания с точки зрения оценки доли высших гармоник, качества электроэнергии, токовых нагрузок фазных и нулевых рабочих проводников с учетом несинусоидальности токов и напряжений. 3. Учитывать влияние нелинейности нагрузок электропотребителей и наличия высших гармонических составляющих при выполнении проектов реконструкции существующих систем электроснабжения и разработке новых проектов. В том числе при выполнении расчета условий тепловыделения, уровней падения напряжения в кабельных линиях и оценке влияния нелинейных нагрузок на качество питающего напряжения у конечных электропотребителей.
Прогнозировать возможные последствия роста компьютерных нагрузок при расширении компьютерных сетей.
Проводить работы по диагностике и анализу систем электроснабжения, используя в дополнение к действующим российским нормативным документам, и стандарт США IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis (IEEE Brown book) (ANSI) IEEE Std 399—1997.
Основные способы подавления высших гармоник тока путем применения:
Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть является последовательное включение линейных дросселей. Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. При этом снижается коэффициент амплитуды (крест-фактор) и коэффициент искажения входного тока. Дроссели могут быть установлены как внутри ИБП, так и расположены на выходном конце кабеля (т.е. на стороне нагрузки). Тогда токи третьей гармоники циркулируют между нагрузкой и фильтром, частично снижая суммарный ток в проводнике нейтрали.
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.
Применение пассивных фильтров.
Применение последовательно включенных линейных дросселей в ряде случаев не позволяет уменьшить гармонические искажения тока до желаемых пределов. В этом случае целесообразно применение пассивных LC-фильтров, настроенных на определенный порядок гармоник. Для улучшения гармонического состава потребляемого тока такие фильтры нашли широкое применение в системах с источниками бесперебойного питания (UPS). Подключение фильтра на входе шестиполупериодного выпрямителя при 100% нагрузке UPS обеспечивает снижение коэффициента искажения тока до величины 8-10% . Значения этого коэффициента в системе без фильтра может достигать 30% и более.
Различают следующие разновидности пассивных фильтров:
нескомпенсированный LC-фильтр с коммутатором.
Нескомпенсированный фильтр содержит продольную индуктивность Др1 и поперечную цепь, состоящую из последовательно включенных индуктивности Др2 и емкости С, настроенных на определенную гармонику. Если фильтр настроен на 5-ую гармонику, то сопротивление поперечной цепи близко к нулю и ток, потребляемый от источника, не будет содержать эту гармонику. Фильтрующие устройства, разработанные на основе пассивных реактивных элементов, достаточно разнообразны. Для подавления гармонических составляющих используются следующие пассивные фильтрующие устройства:
продольные заградительные контуры;
поперечные резонансные цепи;
П-образные фильтрующие звенья.
Применение специальных разделительных трансформаторов.
Разделительный трансформатор с обмотками «треугольник-звезда» позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют «перекрестную» (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора.
Применение магнитных синтезаторов.
Магнитный синтезатор обеспечивает защиту нагрузки от различных искажений электропитания, в частности, от провалов и выбросов напряжения, импульсных и высокочастотных помех, наличия высших гармоник, вызывающих искажения синусоидальной формы входного напряжения. Выходное напряжение магнитного синтезатора на каждом полупериоде основной частоты генерируется путем объединения шести прямоугольных импульсов от связанных между собой трансформаторов с насыщением, аналогично инверторам со ступенчатым (пошаговым) принципом управления. Однако магнитный синтезатор не содержит каких-либо силовых полупроводниковых элементов, выполняя функцию стабилизатора напряжения.
Применение активного кондиционера гармоник
Активный кондиционер гармоник (Active Harmonic Conditioner — AHC) в отличие от магнитного синтезатора подключается не последовательно с нелинейной нагрузкой, а параллельно ей. Принцип действия активного кондиционера гармоник (АКГ) основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.
Снижение полного сопротивления распределительной сети
Это один из эффективных методов снижения нелинейных искажений. Кабели и сборные шины имеют полное сопротивление, которое прямо связано с длиной линий. Увеличение сечения кабелей (проводов) снижает активное сопротивление распределительной сети, но не снижает ее индуктивность. Максимальное эффективное сечение жил кабелей (проводов) составляет приблизительно 95 кв. мм. С дальнейшим увеличением сечения кабелей их индуктивность остается относительно постоянной. Очевидно, что более эффективным будет использование параллельно соединенных кабелей или шин выключателей, однако необходимы относительно сложные схемы защит.
Использование электромашинных преобразователей.
Одним из наилучших вариантов исключения влияния нелинейных нагрузок на основную сеть электроснабжения является использование машинного преобразователя переменного напряжения одного уровня в переменное напряжение другого или того же уровня.
Источник
Гармонические составляющие сети. Что это такое и как с ними быть
2020-12-17 
Статьи 
2 комментария
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 — высших гармониках, 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.
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.
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 .
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.
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.
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.
Источник
