Orsaker till uppkomsten av högre övertoner i moderna kraftsystem

Den elektriska utrustningen i den moderna världen blir mer och mer komplex, särskilt för IT-teknik. På grund av denna trend måste strömkvalitetssäkringssystem uppfylla dessa krav: de måste helt enkelt enkelt hantera fluktuationer, överspänningar, spänningsfall, buller, impulsbrus etc. så att det industriella nätverket och relaterade dess användare ska kunna fungera normalt.

Omformning av nätspänning på grund av övertoner orsakade av icke-linjära belastningar är ett av huvudproblemen som ska lösas. I den här artikeln kommer vi att titta på de djupgående aspekterna av detta problem.

Vad är kärnan i problemet

Huvuddelen av den nuvarande kontorsutrustningen, datorer, kontor, multimediautrustning är i allmänhet icke-linjära belastningar, som, anslutna i det gemensamma kraftnätet i stora mängder, förvränger formen på nätverksspänningen.

Denna förvrängda spänning uppfattas smärtsamt av andra elektriska enheter och stör ibland avsevärt deras normala funktion: den orsakar funktionsfel, överhettning, bryter synkroniseringen, genererar störningar i dataöverföringsnätverk, — i allmänhet kan icke-sinusformad växelspänning orsaka en mängd olika utrustningar. , processer och olägenheter för människor, inklusive material.

Spänningsförvrängningen som sådan beskrivs av ett par koefficienter: den sinusformade faktorn, som återspeglar förhållandet mellan rms-värdet för de högre övertonerna och rms-värdet för nätspänningens grundton, och belastningstoppfaktorn, lika med ett förhållande mellan toppströmförbrukningen och den effektiva lastströmmen.

Varför är högre övertoner farliga?

Effekterna som orsakas av manifestationen av högre övertoner kan delas in efter exponeringens varaktighet i omedelbar och långvarig. Det är vanligt att nämna momentana: matningsspänningsformdistorsion, distributionsnätets spänningsfall, övertonseffekter inklusive harmonisk frekvensresonans, skadlig interferens i dataöverföringsnät, brus i det akustiska området, vibrationer i maskiner. Långsiktiga problem inkluderar: alltför stora värmeförluster i generatorer och transformatorer, överhettning av kondensatorer och distributionsnätverk (ledningar).

Övertoner och linjespänningsform

Betydande toppströmmar i hälften av nätverkets sinusvåg leder till en ökning av toppfaktorn.Ju högre och kortare toppströmmen är, desto starkare blir distorsionen, medan kamfaktorn beror på kraftkällans kapacitet, på dess inre motstånd - om den kan leverera en sådan toppström. Vissa källor måste överskattas i förhållande till sin märkeffekt, till exempel måste speciella lindningar användas i generatorer.

Men avbrottsfri strömförsörjning (UPS) klarar detta problem mycket bättre: på grund av den dubbla omvandlingen kan de kontrollera belastningsströmmen när som helst och reglera den med PWM, vilket undviker problem på grund av strömmens höga kamkoefficient . Med andra ord är den höga toppfaktorn inte ett problem för en kvalitets-UPS.

Högre övertoner och spänningsfall

Som nämnts ovan hanterar UPS:er höga toppfaktorer väl och deras vågformsförvrängning överstiger inte 6 %. Anslutningsledningar här spelar som regel ingen roll, de är ganska korta. Men på grund av överflöd av övertoner i linjespänningen kommer strömvågformen att avvika från sinusformad, speciellt för udda högfrekventa övertoner som introduceras av enfasiga och trefasiga likriktare (se figur).

Distributionsnätets komplexa impedans är vanligtvis induktiv naturströmövertoner i stora kvantiteter kommer därför att leda till betydande spänningsfall på ledningar som är 100 meter långa, och dessa fall kan överstiga de tillåtna, vilket resulterar i att spänningsformen på lasten kommer att förvrängas.

Som ett exempel, notera hur utströmmen från en enfas diodlikriktare ändras vid olika nätverksimpedanser, beroende på resistansen hos ingångsfiltret på en strömförsörjd enhet med en transformatorlös ingång, och hur detta påverkar spänningsvågformen.

Problemet med övertoner multipler av tredje

Tredje, nionde, femtonde osv. — De högre övertonerna i nätströmmen kännetecknas av höga amplitudkoefficienter. Dessa övertoner uppstår från enfasbelastningar och deras effekt på trefasiga system är ganska specifik. Om trefassystemet är symmetriskt, strömmarna förskjuts från varandra med 120 grader, och den totala strömmen i den neutrala ledningen är noll, — det finns inget spänningsfall över ledningen.

Detta är sant i teorin för de flesta övertoner, men vissa övertoner kännetecknas av rotation av strömvektorn i samma riktning som strömvektorn för den grundläggande övertonen. Som ett resultat av detta överlagras de udda övertoner som är multipler av tredjedelen i neutralen på varandra. Och eftersom dessa övertoner är i majoritet kan den totala nollströmmen överstiga fasströmmarna: säg, fasströmmar på 20 ampere ger en nollström med en frekvens på 150 Hz vid 30 ampere.

En kabel konstruerad utan att ta hänsyn till inverkan av övertoner kan överhettas eftersom dess tvärsnitt enligt tanken borde ha ökats. Övertonsmultiplar av den tredje är förskjutna i en trefaskrets med 360 grader i förhållande till varandra.

Resonans, störningar, buller, vibrationer, uppvärmning

Distributionsnät har fara för resonans vid högre ström- eller spänningsövertoner visar sig i dessa fall övertonskomponenten vara högre än grundfrekvensen, vilket negativt påverkar systemkomponenter och utrustning.

Dataöverföringsnätverk belägna nära kraftledningar genom vilka strömmar med högre övertoner strömmar utsätts för störningar, informationssignalen i dem försämras, medan ju kortare avståndet är från ledningen till nätet, desto längre är längden på deras anslutning, desto högre harmonisk frekvens — desto större distorsionsinformationssignal.

Transformatorer och choker börjar göra mer oljud på grund av högre övertoner, elmotorer upplever pulsationer i det magnetiska flödet, vilket resulterar i vridmomentvibrationer på axeln. Elektriska maskiner och transformatorer överhettas och värmeförluster uppstår. I kondensatorer ökar den dielektriska förlustvinkeln med en frekvens högre än nätet, och de börjar överhettas, dielektriskt sammanbrott kan inträffa. Det är onödigt att prata om förlusterna i ledningarna på grund av ökningen av deras temperatur ...