Sebab kemunculan harmonik yang lebih tinggi dalam sistem kuasa moden

Peralatan elektrik dunia moden semakin kompleks, terutamanya untuk teknologi IT. Disebabkan trend ini, sistem jaminan kualiti kuasa mesti memenuhi keperluan ini: mereka mesti dengan mudah mengendalikan turun naik, lonjakan, penurunan voltan, hingar, hingar impuls, dsb., supaya rangkaian perindustrian dan penggunanya yang berkaitan dapat berfungsi secara normal.

Pembentukan semula voltan grid disebabkan oleh harmonik yang disebabkan oleh beban bukan linear adalah salah satu masalah utama yang perlu diselesaikan. Dalam artikel ini, kita akan melihat aspek yang mendalam tentang masalah ini.

Apakah intipati masalah

Bahagian utama peralatan pejabat semasa, komputer, pejabat, peralatan multimedia secara amnya adalah beban bukan linear, yang, disambungkan dalam rangkaian kuasa biasa dalam kuantiti yang besar, memesongkan bentuk voltan rangkaian.

Voltan yang herot ini dirasakan menyakitkan oleh peranti elektrik lain dan kadangkala mengganggu operasi normalnya dengan ketara: ia menyebabkan kerosakan, terlalu panas, menyegerakkan memecahkan, menjana gangguan dalam rangkaian penghantaran data, — secara amnya, voltan berselang-seli bukan sinus boleh menyebabkan pelbagai jenis peralatan. , proses dan kesulitan kepada orang ramai, termasuk bahan.

Herotan voltan seperti itu diterangkan oleh sepasang pekali: faktor sinusoidal, yang mencerminkan nisbah nilai rms harmonik yang lebih tinggi kepada nilai rms harmonik asas voltan rangkaian, dan faktor puncak beban, sama dengan nisbah penggunaan arus puncak kepada arus beban berkesan.

Mengapakah harmonik yang lebih tinggi berbahaya?

Kesan yang disebabkan oleh manifestasi harmonik yang lebih tinggi boleh dibahagikan mengikut tempoh pendedahan kepada segera dan jangka panjang. Ia adalah perkara biasa untuk menyebut serta-merta: herotan bentuk voltan bekalan, penurunan voltan rangkaian pengedaran, kesan harmonik termasuk resonans frekuensi harmonik, gangguan berbahaya dalam rangkaian penghantaran data, bunyi dalam julat akustik, getaran jentera. Masalah jangka panjang termasuk: kehilangan haba yang berlebihan dalam penjana dan transformer, terlalu panas kapasitor dan rangkaian pengedaran (wayar).

Harmonik dan bentuk voltan talian

Arus puncak yang ketara dalam separuh daripada gelombang sinus rangkaian membawa kepada peningkatan dalam faktor puncak.Semakin tinggi dan lebih pendek arus puncak, semakin kuat herotan, manakala faktor sikat bergantung pada keupayaan sumber kuasa, pada rintangan dalamannya - sama ada ia mampu menyampaikan arus puncak sedemikian. Sesetengah sumber mesti dinilai berlebihan berhubung dengan kuasa undiannya, contohnya belitan khas mesti digunakan dalam penjana.

Tetapi bekalan kuasa tidak terganggu (UPS) mengatasi masalah ini dengan lebih baik: disebabkan penukaran berganda, mereka dapat mengawal arus beban pada bila-bila masa dan mengawalnya menggunakan PWM, yang mengelakkan masalah disebabkan oleh pekali sikat arus yang tinggi . Dalam erti kata lain, faktor puncak tinggi bukanlah isu untuk UPS yang berkualiti.

Harmonik yang lebih tinggi dan penurunan voltan

Seperti yang dinyatakan di atas, UPS mengendalikan faktor puncak tinggi dengan baik dan herotan bentuk gelombangnya tidak melebihi 6%. Menyambung wayar di sini, sebagai peraturan, tidak penting, mereka agak pendek. Tetapi disebabkan banyaknya harmonik dalam voltan talian, bentuk gelombang semasa akan menyimpang daripada sinusoidal, terutamanya untuk harmonik frekuensi tinggi ganjil yang diperkenalkan oleh penerus fasa tunggal dan tiga fasa (lihat rajah).

Impedans kompleks rangkaian pengedaran biasanya sifat induktif, oleh itu, harmonik semasa dalam kuantiti yang banyak akan membawa kepada penurunan voltan yang ketara pada garisan sepanjang 100 meter, dan penurunan ini boleh melebihi yang dibenarkan, akibatnya bentuk voltan pada beban akan diherotkan.

Sebagai contoh, perhatikan bagaimana arus keluaran penerus diod fasa tunggal berubah pada impedans rangkaian yang berbeza, bergantung pada rintangan penapis input peranti berkuasa dengan input tanpa pengubah, dan bagaimana ini mempengaruhi bentuk gelombang voltan.

Masalah gandaan harmonik ketiga

Ketiga, kesembilan, kelima belas, dsb. — harmonik yang lebih tinggi bagi arus sesalur dicirikan oleh pekali amplitud yang tinggi. Harmonik ini timbul daripada beban satu fasa dan kesannya terhadap sistem tiga fasa agak spesifik. Jika sistem tiga fasa adalah simetri, arus disesarkan antara satu sama lain sebanyak 120 darjah, dan jumlah arus dalam wayar neutral adalah sifar, - tiada penurunan voltan merentasi wayar.

Ini adalah benar dalam teori untuk kebanyakan harmonik, tetapi sesetengah harmonik dicirikan oleh putaran vektor semasa ke arah yang sama dengan vektor semasa harmonik asas. Akibatnya, dalam neutral harmonik ganjil yang merupakan gandaan ketiga ditindih antara satu sama lain. Dan kerana harmonik ini berada dalam majoriti, jumlah arus neutral boleh melebihi arus fasa: katakan, arus fasa 20 ampere akan memberikan arus neutral dengan frekuensi 150 Hz pada 30 ampere.

Kabel yang direka bentuk tanpa mengambil kira pengaruh harmonik boleh menjadi terlalu panas kerana, mengikut fikiran, keratan rentasnya sepatutnya ditambah. Gandaan harmonik ketiga diimbangi dalam litar tiga fasa sebanyak 360 darjah berbanding satu sama lain.

Resonans, gangguan, bunyi, getaran, pemanasan

Rangkaian pengedaran mempunyai bahaya resonans pada harmonik arus atau voltan yang lebih tinggi, dalam kes ini komponen harmonik ternyata lebih tinggi daripada frekuensi asas, yang memberi kesan negatif kepada komponen dan peralatan sistem.

Rangkaian penghantaran data terletak berhampiran talian kuasa di mana arus dengan aliran harmonik yang lebih tinggi tertakluk kepada gangguan, isyarat maklumat di dalamnya merosot, manakala semakin pendek jarak dari talian ke rangkaian, semakin besar panjang sambungannya, semakin tinggi frekuensi harmonik — semakin besar isyarat maklumat herotan.

Transformer dan choke mula membuat lebih banyak bunyi kerana harmonik yang lebih tinggi, motor elektrik mengalami denyutan dalam fluks magnet, mengakibatkan getaran tork pada aci. Mesin elektrik dan transformer menjadi terlalu panas dan kehilangan haba berlaku. Dalam kapasitor, sudut kehilangan dielektrik meningkat dengan frekuensi yang lebih tinggi daripada grid, dan ia mula menjadi terlalu panas, kerosakan dielektrik mungkin berlaku. Tidak perlu bercakap tentang kerugian dalam talian akibat peningkatan suhu mereka ...