Качество на електричеството и проблеми, причинени от хармоници

Скрита загадка причинява в електрическата инсталация за използване на производствени единици и офис сгради необясними явления, които влияят върху качеството на електричеството:

Претоварване на проводника с нулева работа
Нежелана експлоатация на защитни устройства
Прегряване на трансформаторите при умерени натоварвания
Деформация на кривата на напрежението
Претоварване на кондензатора за корекция на фактора на мощността
Прегряване на проводниците, причинено от филмовия ефект
Подтоварване на двигателя, причинено от асиметрия на напрежението

Проблем? хармоници.

Хармониците са странични продукти на съвременната електроника. Те са широко разпространени, особено там, където има голям брой изчислителни техники и устройства с променлива скорост.

Практически цялото съвременно електрическо и електронно оборудване има превключващи източници или контролира мощността, погълната по един или друг начин и по този начин води до нелинейни товари.

Перфектно захранване е това, което е винаги на разположение, с напрежение и честота в допустимите граници и с перфектно синусоидална крива на напрежението.

Прекъсванията на електрозахранването са най-важният компонент на качеството на доставяното електричество.

Нискокачественото напрежение е скрит разход. Обикновено е неоткрит и недиагностициран, стига да не се появят скъпи неизправности.

Причини и ефекти, генерирани от хармоници

Когато говорим за хармоници в електрически инсталации ние се отнасяме главно до течения, тъй като хармониците са резултат от течения и повечето от вредните ефекти се причиняват от тези течения.

Хармоничните честоти са цяло число, кратно на основната честота на захранване. Припокриването на хармонични токове над основния ток причинява несинусоидални форми на вълната, свързани с нелинейни заряди.

Линейните товари са сравнително редки, като неконтролираните лампи с нажежаема жичка и неконтролираните отоплителни системи са единствените примери.

Фиг. 1 - Проблеми, породени от хармоници

На екранната снимка, показана на фигурата по-горе, зелената крива съответства на настоящите хармоници, налични в инсталацията.

Червената крива показва изкривения сигнал на мрежовото напрежение. Много е ясно, че хармоничният токов сигнал достига високи амплитуди, което генерира спад на напрежението.

Видове съоръжения, които генерират хармоници

Хармоничните токове се генерират от нелинейни натоварвания. Те включват еднофазни и трифазни задачи, като например:

компютри, факсове, разрядни лампи
електронни баласти за флуоресцентни лампи
малки непрекъсваеми захранвания (UPS)
задвижвания с променлива скорост
големи UPS устройства
индустриални дъгови пещи
зарядни устройства (токоизправители) за електрически акумулатори

Проблеми, причинени от хармонични токове

1. Претоварване на проводника с нулева работа

В трифазна система кривите на напрежението на всяка фаза спрямо неутралната точка на звездната връзка са изместени по фаза със 120 °.

По този начин, ако всяка фаза е еднакво заредена, полученият неутрален ток е нула. Ако натоварванията не са балансирани, на неутрала се предава само резултатът от сумата на възвратните токове, а в неутралния проводник се добавят хармоничните токове с множествен ранг от три.

Това води до ток, протичащ през неутралата и който често е на 120% -130% от фазовите токове. Този ефект е илюстриран на фигура 2, където фазовите токове, показани отгоре, са изместени по фаза до 120 °.

Фиг. 2 - Хармоничните токове с кратен ранг от три се събират в неутралния проводник

Най-простото решение, когато се използват еднопроводни кабели, е да се удвои неутралната секция или като два отделни проводника, или като единичен проводник с по-голямо напречно сечение.

2. Прегряване на трансформаторите при умерени натоварвания

Трансформаторите са засегнати от двупосочни хармоници. Първо, текущите загуби на Фуко, които обикновено представляват около 10% от номиналните загуби на натоварване, се увеличават с квадрата на хармоничния ранг.

На практика за трансформатор, работещ с номинална мощност и захранващ нелинейни товари, общите загуби ще бъдат два пъти по-големи, отколкото при линейно натоварване.

Резултатът е много по-висока температура, което води до съответно намаляване на експлоатационния живот.

Фиг. 3 - Инфрачервено изображение на прегрят трансформатор при умерено натоварване

Вторият ефект се отнася до хармоници с кратен ранг от три. Те се намират във всички фази на намотката на трансформатор с триъгълна връзка, те имат кръгов път в намотките.

Хармоничните токове с кратен ранг от три се абсорбират ефективно от намотката и не се разпространяват към захранването.

По този начин триъгълните намотки трансформатори са полезни като изолиращи трансформатори. Трябва да се отбележи, че другите хармоници, които нямат множествен ранг от три, преминават през намотката.

3. Нежелана експлоатация на защитни устройства

Прекъсвачите с остатъчен ток (RCD) работят върху сумата от фазови и неутрални токове и, ако разликата не е под зададената граница, изключете товара.

Ненавременното изключване може да възникне в присъствието на хармоници по две причини. На първо място, прекъсвачът, като електромеханично устройство, може да не сглоби правилно високочестотните компоненти. В резултат на това се задейства неправилно.

Второ, типът оборудване, което генерира хармоници, също създава шум поради превключването, което трябва да бъде филтрирано преди свързване към захранването.

Използваните за тази цел филтри обикновено имат кондензатор между фаза и земя и между нулевия проводник и земята. В резултат на това ще има малко изтичане на земята.

Неволното изключване на прекъсвачите обикновено се причинява от токове във веригата, които са по-високи от изчислените или измерените, поради наличието на хармонични токове.

Повечето преносими инструменти не измерват истинската истинска стойност и могат да подценят несинусоидалните токове с 40%.

4. Претоварване на кондензатори за корекция на фактора на мощността

Кондензаторите за корекция на фактора на мощността са проектирани да генерират ток с фазово изместване

Фиг. 4 - Кондензатори, повредени от наличието на хармоници в инсталацията

преди напрежение за компенсиране на фазово изместен ток, причинен от индуктивен товар, като асинхронен двигател.

Импедансът на кондензатора намалява с увеличаване на честотата, докато импедансът на източника, който обикновено е индуктивен, нараства с честотата.

Следователно е вероятно много високи хармонични токове да преминат през кондензатора и да възникнат повреди, ако той не е проектиран да ги издържа.

Потенциално по-сериозен проблем, който може да възникне за или близо до хармонична честота, е резонансът между кондензатора и реактивното съпротивление на изтичането на захранващата система (което очевидно може да възникне при честоти в диапазона от 100 Hz).

Когато това се случи, могат да се генерират много високи напрежения и токове, което често води до катастрофални повреди на кондензатора (както е на фигура 4).

Резонансът може да бъде избегнат чрез вмъкване на намотка последователно с кондензатора, така че комбинацията да остане индуктивна, поне за значими хармоници с най-нисък ранг.

Това решение също така ограничава хармоничния ток, който може да тече в кондензатора. Индуктивността на бобината може да бъде проблем, особено когато са налице нискокачествени хармоници.

5. Прегряване на проводниците, причинено от филмовия ефект

Променливият ток има тенденция да тече към повърхността на проводника. Това явление е известно като филмов ефект и е по-изразено при високи честоти.

Ефектът на филма обикновено се игнорира, тъй като има много малък ефект при номиналната честота на захранване, но при над 350 Hz, т.е. от хармоника 7, ефектът на филма става важен, причинявайки допълнителни загуби и нагряване в захранващите проводници (както на фигура 5 ).

Когато има хармонични токове, дизайнерите трябва да вземат предвид филмовия ефект и да разтоварят съответно кабелите. Използването на многожилни кабели или валцувани пръти помага да се реши този проблем.

Фиг. 5 - Прегряване на проводниците поради филмовия ефект

6. Деформация на кривата на напрежението

Токът на деформиран товар, генериран от нелинейния товар, причинява деформиран спад на напрежението върху импеданса на кабелите.

Полученото деформирано напрежение се прилага към всички натоварвания, свързани към една и съща верига, произвеждайки хармонични токове, протичащи през тях, дори ако те са линейни натоварвания, както е показано на фигура 6.

Фиг. 6 - Деформация на кривата на напрежението

Когато анализираме нивото на изкривяване на хармоничното напрежение, трябва да помним, че когато натоварването се прехвърля към UPS или резервен генератор по време на прекъсване, импедансът на източника и произтичащото от това изкривяване на напрежението са много по-високи.

7. Претоварване на двигателя, причинено от асиметрия на напрежението и хармоници на напрежението

Хармоничните напрежения в асинхронните двигатели увеличават загубите на вихрови токове,

Фиг. 7 - Прегряване на двигателите поради хармоници на напрежението

по същия начин, както при трансформаторите.

Освен това има допълнителни загуби поради генерирането на хармонични полета в статора, всяко от които има тенденция да върти двигателя с различна скорост, в една или друга посока.

Индуцираните от ротора високочестотни токове водят до допълнително увеличаване на загубите на намотки и температурата, както е показано на фигура 7.

заключения

Тези събития за качество на енергията нарушават много чувствителни процеси и съкращават полезния живот на оборудването, което води до ненужни разходи под формата на внедрени решения за грешно диагностицирани проблеми.

Точното ниво на отклонения от перфектното захранване, което може да се приеме, зависи от приложението на потребителя, вида на инсталираното оборудване и възприемането му от необходимите условия.

Електроенергията е склонна да оценява прекъсванията във връзка с разходите за недоставена свързана електроенергия.

Потребителят го оценява във връзка със загубите в производството, причинени от прекъсвания.

Загубите в производството могат да бъдат много значителни и продължителността на недостъпността за подготовка на съоръженията за възобновяване на производството е много дълга и включва високи разходи.

препоръки

Целта е да се идентифицират точките, където могат да възникнат прекъсвания, и да се отстранят чрез предоставяне резервно оборудване (излишно) или алтернативни пътища за доставка.

По този начин дейността може да продължи в случай на единичен инцидент. Включват се основните методи, използвани за ограничаване на тези ефекти монтаж на система за филтриране или изолация (сепарационни трансформатори).

Резервни източници и UPS системи, необходими за покриване на краткосрочни и дългосрочни прекъсвания са съществени елементи за система, способна да се справи с вариациите в захранването.

След като хармониците са "под контрол", загубите на мощност изчезват и в същото време мощността, предоставена от мрежата, е достъпна за други задачи.

Следователно енергията, доставяна от електрическата мрежа, ще бъде оптимизирана, като по този начин ще се намалят енергийните разходи.

Осигуряването на добро качество на електричеството изисква добър първоначален дизайн, ефективно оборудване за корекция, сътрудничество с доставчика, често наблюдение и добра поддръжка..

С други думи, това изисква цялостен подход и добро разбиране на принципите и практиките за подобряване на качеството на електричеството.