Källor till övertoner i elektriska nätverk

Eftersom icke-linjära element alltid förekommer i modern elektrisk, särskilt i industriella nätverk, som ett resultat, förvrängs strömkurvor och spänningskurvor, uppträder högre övertoner i nätverk.

Först och främst beror icke-sinusoidalitet på närvaron av statiska omvandlare, sedan - synkrona generatorer, svetsmaskiner, lysrör, ljusbågsugnar, transformatorer, motorer och andra icke-linjära belastningar.

Matematiskt kan ström- och spänningskurvornas icke-sinusformade karaktär representeras som summan av huvudövertonen för nätfrekvensen och dess högre övertoner som är multipler av den. Övertonsanalys resulterar i en trigonometrisk Fourier-serie, och värdena för frekvenser och faser för de resulterande övertonerna kan enkelt beräknas med formeln:

Faktum är att den resulterande kombinationen av icke-sinusformade spänningar och strömmar i ett trefasnät kan vara asymmetrisk eller symmetrisk.Ett symmetriskt system av icke-sinusformade spänningar för multiplar av tre övertoner (k = 3n) leder till bildandet av ett system med nollsekvensspänningar.

Vidare, vid k = 3n + 1, genererar övertonen i trefasnätet ett symmetriskt system av negativa sekvensspänningar. Så varje k-överton i ett symmetriskt system av icke-sinusformade spänningar resulterar i ett symmetriskt system av fasspänningar med direkt, omvänd eller nollsekvens.

I praktiken visar sig emellertid systemet med icke-sinusformade fasspänningar vara asymmetriskt. Så, magnetiska kärnor i trefastransformatorer själva är de olinjära och asymmetriska, eftersom längden på de magnetiska banorna för mellan- och slutfasen skiljer sig med en faktor 1,9. Som ett resultat är de effektiva värdena för magnetiseringsströmmarna i mittfasen 1,3 - 1,55 gånger mindre än värdena för magnetiseringsströmmarna för slutfaserna.

Asymmetriska övertoner sönderdelas till symmetriska komponenter när varje k-överton bildar ett asymmetriskt system av fasspänningar och innehåller vanligtvis komponenter i tre sekvenser - noll, framåt och bakåt.

Trefasnät med en isolerad nolla kännetecknas av frånvaron av nollsekvenskomponenter i var och en av faserna, förutsatt att det inte finns några jordfel. Som ett resultat finns det inga multiplar av tre övertoner i fasströmmarna, men det finns andra övertoner som innehåller omvänd och positiv sekvenskomponenter.

Effektlikriktare har som regel stora induktanser på DC-sidan, som är DC-maskinlindningar och utjämningsreaktorer.Dessa induktanser är många gånger högre än den ekvivalenta induktansen för växelströmssidan, därför uppträder sådana likriktare med avseende på växelströmsnätet som källor för högre övertonsström. Strömmen som riktas till nätet med en harmonisk frekvens har ett värde som inte beror på parametrarna för försörjningsnätet.

För trefasiga elektriska nätverk är det karakteristiskt att använda trefasiga fullvågslikriktare för 6 ventiler som sådana omvandlare, från vilka de kallas sexpuls eller sexfas. Strömkurvan för var och en av faserna i detta fall kan beskrivas med ekvationen (för strömmen för en fas A):

Det kan ses att fasströmmarna endast innehåller udda övertoner som inte är multiplar av tre, och tecknen för dessa övertoner alternerar: positiva övertoner av 6k + 1:a ordningen och negativa övertoner av 6k-1:a ordningen.

Om en tolvfaslikriktare används, när ett par sexfaslikriktare är anslutna till ett par trefastransformatorer (sekundärspänningarna är fasförskjutna med pi / 6), då övertoner på 12k + 1 och 12k- 1-order kommer att dyka upp, respektive.

Innan likriktare användes var endast transformatorer och olika elektriska maskiner huvudkällan till högre övertoner i elektriska nätverk. Men även idag är transformatorer de vanligaste delarna av elektriska nätverk.

Anledningen till att transformatorer genererar högre övertoner är den icke-linjära magnetiseringskurvan för de magnetiska kretsarna och den konstanta närvaron av hysteresloopar… En icke-linjär magnetiseringskurva och hysteresloop genererar förvrängningar av den ursprungliga sinusformade magnetiseringsströmmen utan belastning och resultatet är högre övertoner i strömmen som transformatorn drar från nätet.

Transformatorer i 110 kV-klassen har inte mer än 1% tomgångsström och transformatorer i 6-10 kV-klassen - inte mer än 2-3%. Dessa är små strömmar och deras aktiva förluster i magnetkretsen är försumbara. Det är magnetiseringskurvan som spelar roll, inte hysteresloopen.

Magnetiseringskurvan är symmetrisk och det finns inte ens övertoner i Fourier-seriens expansion. Förvrängningen av magnetiseringsströmmen orsakas av udda övertoner, bland vilka finns multiplar av tre. Den tredje övertonen är särskilt uttalad, men den femte och sjunde övertonen är också de mest betydelsefulla.

EMF-övertoner och strömövertoner är också karakteristiska för motorer, både synkron och asynkron… Dessa övertoner orsakas av samma fenomen som strömövertoner som genereras av transformatorer – olinjäriteten i magnetiseringskurvan för de material som statorn och rotorn är gjorda av.

Frekvensspektrat för strömövertoner för elektriska motorer, liksom transformatorer, inkluderar udda övertoner, bland vilka uppenbarligen är multiplar av tre. De mest betydelsefulla här är de 3:e, 5:e och 7:e övertonerna.

Precis som i fallet med transformatorer tillåter grova beräkningar oss att ta procentandelen strömmar för den 3:e, 5:e och 7:e övertonen till 40 % för den tredje övertonen, 30 % för den femte övertonen och 20 % för den sjunde övertonen (procentandel av av tomgångsströmmen).