Λόγοι για την εμφάνιση υψηλότερων αρμονικών στα σύγχρονα συστήματα ισχύος

Ο ηλεκτρολογικός εξοπλισμός του σύγχρονου κόσμου γίνεται όλο και πιο πολύπλοκος, ειδικά για τις τεχνολογίες πληροφορικής. Εξαιτίας αυτής της τάσης, τα συστήματα διασφάλισης ποιότητας ισχύος πρέπει να πληρούν αυτές τις απαιτήσεις: πρέπει απλώς να χειρίζονται εύκολα διακυμάνσεις, υπερτάσεις, πτώσεις τάσης, θόρυβο, θόρυβο παλμών κ.λπ., έτσι ώστε το βιομηχανικό δίκτυο και οι σχετικοί χρήστες του να μπορούν να λειτουργούν κανονικά.

Η αναμόρφωση της τάσης του δικτύου λόγω των αρμονικών που προκαλούνται από μη γραμμικά φορτία είναι ένα από τα κύρια προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε σε βάθος τις πτυχές αυτού του προβλήματος.

Ποια είναι η ουσία του προβλήματος

Το κύριο μερίδιο του τρέχοντος εξοπλισμού γραφείου, υπολογιστών, γραφείου, εξοπλισμού πολυμέσων είναι γενικά μη γραμμικά φορτία, τα οποία, συνδεδεμένα στο κοινό δίκτυο ισχύος σε τεράστιες ποσότητες, παραμορφώνουν το σχήμα της τάσης του δικτύου.

Αυτή η παραμορφωμένη τάση γίνεται οδυνηρά αντιληπτή από άλλες ηλεκτρικές συσκευές και μερικές φορές διαταράσσει σημαντικά την κανονική τους λειτουργία: προκαλεί δυσλειτουργίες, υπερθέρμανση, διακόπτει τον συγχρονισμό, δημιουργεί παρεμβολές σε δίκτυα μετάδοσης δεδομένων, — γενικά, η μη ημιτονοειδής εναλλασσόμενη τάση μπορεί να προκαλέσει μια ολόκληρη ποικιλία εξοπλισμού , διαδικασίες και ταλαιπωρία για τους ανθρώπους, συμπεριλαμβανομένου υλικού.

Η παραμόρφωση τάσης αυτή καθαυτή περιγράφεται από ένα ζεύγος συντελεστών: τον ημιτονοειδές συντελεστή, ο οποίος αντανακλά την αναλογία της τιμής rms των υψηλότερων αρμονικών προς την τιμή rms της θεμελιώδους αρμονικής της τάσης δικτύου και τον συντελεστή κορυφής φορτίου, ίσος με μια αναλογία της κατανάλωσης ρεύματος αιχμής προς το ενεργό ρεύμα φορτίου.

Γιατί οι υψηλότερες αρμονικές είναι επικίνδυνες;

Οι επιδράσεις που προκαλούνται από την εκδήλωση υψηλότερων αρμονικών μπορούν να χωριστούν ανάλογα με τη διάρκεια της έκθεσης σε άμεσες και μακροπρόθεσμες. Είναι σύνηθες να αναφέρουμε στιγμιαία: παραμόρφωση σχήματος τάσης τροφοδοσίας, πτώση τάσης δικτύου διανομής, αρμονικές επιδράσεις συμπεριλαμβανομένου συντονισμού αρμονικής συχνότητας, επιβλαβείς παρεμβολές σε δίκτυα μετάδοσης δεδομένων, θόρυβος στην ακουστική περιοχή, δόνηση μηχανημάτων. Τα μακροπρόθεσμα προβλήματα περιλαμβάνουν: υπερβολικές απώλειες θερμότητας σε γεννήτριες και μετασχηματιστές, υπερθέρμανση πυκνωτών και δικτύων διανομής (σύρματα).

Αρμονικές και σχήμα τάσης γραμμής

Τα σημαντικά ρεύματα αιχμής στο μισό ημιτονοειδές κύμα του δικτύου οδηγούν σε αύξηση του συντελεστή κορυφής.Όσο υψηλότερο και μικρότερο είναι το ρεύμα αιχμής, τόσο πιο ισχυρή είναι η παραμόρφωση, ενώ ο συντελεστής χτένας εξαρτάται από τις δυνατότητες της πηγής ισχύος, από την εσωτερική αντίστασή της - εάν είναι σε θέση να δώσει ένα τέτοιο ρεύμα αιχμής. Ορισμένες πηγές πρέπει να υπερεκτιμηθούν σε σχέση με την ονομαστική τους ισχύ, για παράδειγμα πρέπει να χρησιμοποιούνται ειδικές περιελίξεις σε γεννήτριες.

Αλλά τα αδιάλειπτα τροφοδοτικά (UPS) αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα πολύ καλύτερα: λόγω της διπλής μετατροπής, είναι σε θέση να ελέγχουν το ρεύμα φορτίου ανά πάσα στιγμή και να το ρυθμίζουν χρησιμοποιώντας PWM, το οποίο αποφεύγει προβλήματα λόγω του υψηλού συντελεστή χτένας του ρεύματος . Με άλλα λόγια, ο υψηλός παράγοντας κορυφής δεν αποτελεί πρόβλημα για ένα ποιοτικό UPS.

Υψηλότερες αρμονικές και πτώση τάσης

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, τα UPS χειρίζονται καλά τους παράγοντες υψηλών κορυφών και η παραμόρφωση κυματομορφής τους δεν υπερβαίνει το 6%. Τα καλώδια σύνδεσης εδώ, κατά κανόνα, δεν έχουν σημασία, είναι αρκετά κοντά. Αλλά λόγω της αφθονίας των αρμονικών στην τάση γραμμής, η κυματομορφή του ρεύματος θα αποκλίνει από την ημιτονοειδή, ειδικά για περιττές αρμονικές υψηλής συχνότητας που εισάγονται από μονοφασικούς και τριφασικούς ανορθωτές (βλ. σχήμα).

Η πολύπλοκη αντίσταση του δικτύου διανομής είναι συνήθως επαγωγική φύσηΕπομένως, οι αρμονικές ρεύματος σε μεγάλες ποσότητες θα οδηγήσουν σε σημαντικές πτώσεις τάσης σε γραμμές μήκους 100 μέτρων και αυτές οι πτώσεις μπορεί να υπερβούν τις επιτρεπόμενες, με αποτέλεσμα να παραμορφωθεί το σχήμα τάσης στο φορτίο.

Για παράδειγμα, σημειώστε πώς το ρεύμα εξόδου ενός ανορθωτή μονοφασικής διόδου αλλάζει σε διαφορετικές σύνθετες αντιστάσεις δικτύου, ανάλογα με την αντίσταση του φίλτρου εισόδου μιας τροφοδοτούμενης συσκευής με είσοδο χωρίς μετασχηματιστή, και πώς αυτό επηρεάζει την κυματομορφή τάσης.

Το πρόβλημα των αρμονικών πολλαπλάσια του τρίτου

Τρίτο, ένατο, δέκατο πέμπτο κ.λπ. — οι υψηλότερες αρμονικές του ρεύματος δικτύου χαρακτηρίζονται από υψηλούς συντελεστές πλάτους. Αυτές οι αρμονικές προκύπτουν από μονοφασικά φορτία και η επίδρασή τους στα τριφασικά συστήματα είναι αρκετά συγκεκριμένη. Αν το τριφασικό σύστημα είναι συμμετρικό, τα ρεύματα μετατοπίζονται μεταξύ τους κατά 120 μοίρες και το συνολικό ρεύμα στο ουδέτερο καλώδιο είναι μηδέν, — δεν υπάρχει πτώση τάσης στο καλώδιο.

Αυτό ισχύει θεωρητικά για τις περισσότερες αρμονικές, αλλά ορισμένες αρμονικές χαρακτηρίζονται από περιστροφή του διανύσματος ρεύματος προς την ίδια κατεύθυνση με το διάνυσμα ρεύματος της θεμελιώδης αρμονικής. Ως αποτέλεσμα, στο ουδέτερο οι περιττές αρμονικές που είναι πολλαπλάσια του τρίτου υπερτίθενται μεταξύ τους. Και επειδή αυτές οι αρμονικές είναι στην πλειοψηφία τους, το συνολικό ουδέτερο ρεύμα μπορεί να υπερβαίνει τα ρεύματα φάσης: ας πούμε, τα ρεύματα φάσης των 20 αμπέρ θα δώσουν ένα ουδέτερο ρεύμα με συχνότητα 150 Hz στα 30 αμπέρ.

Ένα καλώδιο σχεδιασμένο χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση των αρμονικών μπορεί να υπερθερμανθεί επειδή, σύμφωνα με το μυαλό, η διατομή του θα έπρεπε να είχε αυξηθεί. Τα αρμονικά πολλαπλάσια του τρίτου μετατοπίζονται σε ένα τριφασικό κύκλωμα κατά 360 μοίρες μεταξύ τους.

Συντονισμός, παρεμβολές, θόρυβος, δόνηση, θέρμανση

Τα δίκτυα διανομής έχουν κίνδυνος συντονισμού σε υψηλότερες αρμονικές ρεύματος ή τάσης, σε αυτές τις περιπτώσεις η αρμονική συνιστώσα αποδεικνύεται υψηλότερη από τη θεμελιώδη συχνότητα, η οποία επηρεάζει αρνητικά τα εξαρτήματα και τον εξοπλισμό του συστήματος.

Δίκτυα μετάδοσης δεδομένων που βρίσκονται κοντά σε γραμμές ισχύος μέσω των οποίων ρέουν ρεύματα με υψηλότερες αρμονικές υπόκεινται σε παρεμβολές, το σήμα πληροφοριών σε αυτά επιδεινώνεται, ενώ όσο μικρότερη είναι η απόσταση από τη γραμμή στο δίκτυο, τόσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της σύνδεσής τους, τόσο υψηλότερη είναι η αρμονική συχνότητα — τόσο μεγαλύτερο είναι το σήμα πληροφοριών παραμόρφωσης.

Οι μετασχηματιστές και τα τσοκ αρχίζουν να κάνουν περισσότερο θόρυβο λόγω υψηλότερων αρμονικών, οι ηλεκτροκινητήρες παρουσιάζουν παλμούς στη μαγνητική ροή, με αποτέλεσμα δονήσεις ροπής στον άξονα. Οι ηλεκτρικές μηχανές και οι μετασχηματιστές υπερθερμαίνονται και συμβαίνουν απώλειες θερμότητας. Στους πυκνωτές, η γωνία απώλειας διηλεκτρικού αυξάνεται με συχνότητα υψηλότερη από το δίκτυο και αρχίζουν να υπερθερμαίνονται, μπορεί να συμβεί διηλεκτρική διάσπαση. Είναι περιττό να μιλάμε για απώλειες στις γραμμές λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας τους ...