Гармоники: причины возникновения и результат воздействия

Данный раздел Руководства посвящен природе происхождения токов гармоник и влия-нию, которое они оказывают на электрические системы. В других разделах будут описаны способы борьбы с гармониками в электрических сетях.
Частоты гармоник определяются умножением основной частоты на целочисленные множители, т.е., если основная частота равна 50 Гц, то частота гармоники третьего порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники пятого порядка – 250 Гц и т.д. На рис. 1 показан

график синусоиды основной частоты с гармониками 3-го и 5-го порядков. На рисунке 2 показана результирующая форма сигнала тока в случае сложения основной частоты с гармоникой 3-го порядка, амплитуда которой составляет 70% от амплитуды основной часто-ты, и гармоникой 5-го порядка, амплитуда которой составляет 50% от амплитуды основной частоты. Стоит заметить, что на практике результирующий сигнал, искаженный наложением большого количества гармоник со сложными фазовыми соотношениями, имеет гораздо более сложную форму. Результирующий сигнал, показанный на рис. 2, имеет явно несинусоидальную форму.

Это означает, что обычное измерительное оборудование, как усредняющий мультиметр, откалиброванный по среднеквадратичному значению, будет показывать неверный результат. В приведенном примере сигнал за период имеет шесть точек перехода через ноль вместо двух. Это приведет к неправильной работе оборудования, использующего точку перехода через ноль в качестве управляющего события. Форма сигнала содержит частоты, отличные от основной, и поэтому должна обрабатываться соответствующим образом. Когда говорят о гармониках в электросети, то в первую очередь подразумевают гармоники сигнала тока, так как гармоники возникают как токи и большинство вредных воздействий оказывается этими токами. Никакое полезное заключение невозможно сделать без анализа спектра гармоник фактического сигнала, но все еще общепринятым является определение значения суммарных гармонических искажений. Когда гармоники распространяются по сети электропередачи, то есть по ответвленным цепям, не предназначенным для передачи токов гармоник, то они проявляются как напряжения. Поэтому очень важно измерять как значения токов, так и значения напряжений и приводимые значения должны явно указываться как значения напряжения или тока. Обычно значения искажений тока обозначаются суффиксом «I», например 35% THDI, а значения искажения напряжения обозначаются суффиксом «V», например 4% THDV.
Токи гармоник многие годы присутствуют в электросетях. Первоначально они создавались выпрямителями на эффекте дуги в ртутных парах, которые использовались для преобразования переменного тока в постоянный ток в системах электрификации железных дорог и промышленных электроприводов постоянного тока с регулируемой скоростью вращения. Позднее спектр типов и количество порождающих гармоники устройств резко возрос и продолжает увеличиваться. Поэтому проектировщики должны тщательно учитывать присутствие гармоник в электросети и побочные результаты их воздействия.
В данном разделе описывается, как и почему возникают гармоники, как наличие гармоник воздействует на электрические системы и оборудование и как свести это воздействие к минимуму.
Типы оборудования, вызывающего образование гармоник
Гармонические токи нагрузки создаются всеми нелинейными нагрузками, к которым относятся:
Однофазные нагрузки, а именно: Импульсные источники электропитания (ИИП) Электронные балласты флуоресцентных ламп Небольшие источники бесперебойного питания (ИБП)
Трехфазные нагрузки, а именно: Приводы с регулируемой скоростью вращения Крупные ИБП

Однофазные нагрузки

Импульсные источники электропитания (ИИП)
Большинство современных электронных устройств использует импульсные источники электропитания (ИИП). Они отличаются от прежних тем, что традиционный понижающий трансформатор и выпрямитель заменены непосредственным управляемым выпрямлением поступающего из сети тока. Этот ток заряжает накопительный конденсатор, с которого уже выпрямленный ток подается на нагрузку способом, обеспечивающим необходимые напряжение и силу тока. Преимуществом такой схемы — для производителя оборудования — является значительное снижение размеров, стоимости и массы. Источник питания может изготавливаться практически любого форм-фактора. Недостатком — для всех остальных – является то, что кроме преобразования переменного тока сети в выпрямленный ток, источник питания создает импульсы тока, содержащие большое количество гармоник третьего и более высокого порядков и значительные высокочастотные составляющие (см. рис. 3).

На входе источника электропитания ставится простой фильтр, который отсекает высокочастотные составляющие от линии и нейтрального провода и направляет их на землю. Но этот фильтр не отфильтровывает токи гармоник, которые протекают обратно в источник питания.
Влияние на электросеть однофазных ИБП очень похоже на поведение ИИП.
Для источников питания высокой мощности существует современная тенденция использования так называемых входов с корректировкой коэффициента мощности. Целью было сделать так, чтобы нагрузка источника питания выглядела как резистивная нагрузка, следовательно, входной ток имел синусоидальную форму и совпадал по фазе с приложенным напряжением. Это достигается за счет извлечения входного тока как высокочастотного сигнала треугольной формы, из которого с помощью входного фильтра выделяется синусоида. Такое дополнительное усложнение схемы еще не применяется в источниках питания низкого ценового диапазона, которые составляют абсолютное большинство нагрузки на коммерческих и промышленных объектах. Пока трудно даже предположить, какие проблемы еще могут возникнуть после широкого внедрения этого технического решения.

Балласты люминесцентных ламп

В последние годы стали очень популярны электронные балласты для люминесцентных ламп. Причиной этой популярности стали сведения об их более высокой эффективности. На самом деле общая эффективность электронных балластов лишь незначительно превышает эффективность лучших магнитных балластов. В основном увеличение эффективности достигается за счет более эффективной работы лампы на повышенной частоте, а не благодаря лучшей эффективности собственно электронного балласта. Главным преимуществом систем с электронным балластом является то, что в течение более долгого срока службы поддерживается высокий уровень яркости за счет применения для регулировки рабочего тока схемы управления с обратной связью. Главным и очень большим недостатком электронного балласта является образование гармоник, поступающих в сеть электропитания. Для более высоких мощностей существуют типы устройств с коррекцией коэффициента мощности, в которых снижено образование паразитных гармоник, но стоят они намного дороже. Устройства малой мощности, как правило, не имеют схемы коррекции.
Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) рассматриваются как замена ламп накаливания. Миниатюрный электронный балласт, встроенный в цоколь такой лампы, управляет работой многократно согнутой люминесцентной трубки диаметром 8 мм. КЛЛ мощностью 11 Вт по световому потоку равноценна лампе накаливания мощностью 60 Вт и имеет за-явленный срок службы 8000 часов. Спектр гармонических токов КЛЛ показан на рис. 4. Одно время КЛЛ широко использовались для замены ламп накаливания в гостиницах, однако очень скоро весь этот сектор столкнулся с серьезными проблемами, вызванными гармоническими токами.

Трехфазные нагрузки

В основе работы контроллеров регулировки скорости, модулей ИБП и преобразователей постоянного тока, как правило, лежит трех-фазный мост, который еще называют шести-импульсным мостом, так как его рабочий цикл состоит из шести импульсов (по одному импульсу на каждый полуцикл в каждой фазе) на выходе постоянного тока. Шестиимпульсный мост создает гармоники с порядком 6n +/- 1, т.е. на единицу больше и на единицу меньше чем каждое кратное шести число. Теоретически величина амплитуды каждой гармоники обратнопропорциональна ее номеру, например, для пятой гармоники она равна 20%, для одиннадцатой — 9% и т.д. Типичный спектр показан на рис. 6. В случае использования двенадцатиимпульсного моста амплитуда гармоник будет значительно ниже. Такой мост можно получить, если два шестиимпульсных моста питать через обмотку трансформатора, соединенную звездой или треугольником, со сдвигом фаз между мостами в 30 градусов.
Теоретически гармоники порядка 6n должны подавляться, но на практике подавление зависит от согласованности конвертеров и обычно имеет коэффициент между 20 и 50. Гармоники порядка 12n остаются без изменений. Положительным является не только уменьшение суммарного тока гармоника, но и то, что оставшиеся гармоники имеют более высокий порядок, и фильтры для их фильтрации имеют более простую схему. Во многих случаях производители оборудования будут предпринимать некоторые меры по уменьшению амплитуды токов гармоник, возможно посредством установки фильтров или включенных последовательно индуктивностей. В прошлые годы это давало повод некоторым производителям заявлять о соответствии их продукции рекомендациям «G5/3». Однако, поскольку рекомендации «G5/3» являются стандартом планирования, охватывающим всю схему электропроводки объекта в целом, то нельзя заявлять об их выполнении без знания характеристик каждого компонента электрооборудования объекта. Дальнейшее увеличение количества импульсов до 24, достигаемое параллельным соединением двух двенадцатиимпульсных модулей с фазовым сдвигом на 15 градусов, уменьшает суммарный гармонический ток до 4,5%. Дополнительное усложнение схемы увеличивает стоимость, поэтому контроллеры такого типа могут быть использованы только когда абсолютно необходимо обеспечить соответствие ограничениям, предъявляемым поставщика-ми электроэнергии.

Теоретические основы: как образуются гармоники

В идеальных чистых системах электропитания сигналы тока и напряжения имеют идеальную синусоидальную форму. На практике синусоидальная форма сигнал тока начинает искажаться, когда протекающий через нагрузку ток нелинейно зависит от прикладываемого напряжения. В простых цепях, со-держащих только линейные компоненты – сопротивления, индуктивности и емкости – протекающий ток пропорционален прикладываемому напряжению (на определенной частоте), так что синусоидальному напряжению соответствует синусоидальный ток, как это показано на рис. 9. Правда, если в цепи имеется реактивный компонент, то возникнет сдвиг фаз между сигналами напряжения и то-ка. В результате этого коэффициент мощности уменьшится, но цепь все равно останется линейной. На рис. 10 показана ситуация, когда нагрузка состоит из простого двухполупериодного выпрямителя и конденсатора, как во входном каскаде типичного импульсного источника питания. В этом случае ток протекает только когда подаваемое напряжение превышает остаточное напряжение в накопи-тельном конденсаторе, т.е. близко к пиковому значению амплитуды синусоиды напряжения, как это видно из графика вольтамперной характеристики нагрузки. На практике вольтамперная характеристика нагрузки (а, следовательно, и форма сигнала тока) намного сложнее, чем показано на иллюстрациях. Может отмечаться некоторая асимметрия и гистерезис, а точки перелома и наклон будут меняться с нагрузкой. Любой периодический сигнал может быть разложен на синусоидальный сигнал основной частоты и большое количество синусоидальных сигналов с гармоническими частотами. Так, искаженный сигнал тока, изображенный на рис. 10, можно представить как сигнал основной частоты плюс процент второй гармоники плюс процент третьей гармоники и т.д., возможно до тридцатой гармоники. Для сигналов симметричной формы, т.е. у которых положительный и отрицательный полупериоды имеют одинаковую форму и амплитуду, все гармоники с четными номерами равны нулю. В современных сетях четные гармоники встречаются редко, но они были распространенным явлением, когда широко применялись однополупериодные выпрямители. Эквивалентная цепь нелинейной нагрузки показана на рис. 11. Ее можно смоделировать как линейную нагрузку, параллельно которой включено множество источников тока, по одному источнику на каждую гармоническую частоту. Гармонические токи генерируются нагрузкой, точнее – они возникают в результате преобразования нагрузкой части энергии основной частоты в гармонические токи, которые протекают по цепи через импеданс источника и по всем остальным параллельным цепям.

В результате гармонические напряжения появляются на импедансе источника и присутствуют во всей сети электропитания объекта. Гармонические генераторы гармонических токов иногда представляются как генераторы напряжения. Если бы это соответствовало истине, то тогда импеданс источника не влиял бы на амплитуду гармонического напряжения, прикладываемого к источнику. В реальности амплитуда этого напряжения пропорциональна (в ограниченных пределах) импедансу источника, что характеризует поведение генератора, как источника тока.
Импеданс источника очень низкий, поэтому гармоническое искажение напряжения, возникающее в результате воздействия гармонического тока, также очень мало и часто едва превышает фон сети. Это может быть обманчивым, так как создает впечатление отсутствия гармоник, когда на самом деле имеют место сильные гармонические токи. Такая ситуация очень похожа на попытку обнаружить блуждающие токи заземления с помощью вольтметра. Всегда, когда возникает подозрение на наличие гармоник, или необходимо убедиться в их отсутствии, нужно измерять ток.

Негативное воздействие гармоник

Гармонические токи оказывают вредное воздействие, как на питающую систему, так и на электросеть объекта. Результаты воздействия и решения сильно различаются и их нужно разбирать отдельно. Меры, предпринимаемые для устранения вредного влияния гармоник в рамках электросети объекта, не обязательно снизят искажения, вызываемые в снабжающей электросети, и наоборот.
Негативное воздействие гармоник на электросеть объекта
Существует несколько общеизвестных групп нарушений в электросети, вызванных гармо-никами:
— Негативные последствия, вызванные гармоническими токами: Перегрузки на нейтральных проводах Перегрев трансформаторов Случайные переключения автоматических выключателей
Рис. 11. Эквивалентная схема нелинейной нагрузки
Перегрузка конденсаторов корректировки коэффициента мощности Поверхностный эффект
— Негативные последствия, вызванные гармоническими напряжениями: Искажения напряжения Индукционные электродвигатели Шумы перехода через ноль
В следующих разделах кратко рассматривается каждая из перечисленных групп.
Негативные воздействия, вызываемые гармоническими токами
Перегрев нейтрального провода

В трехфазной системе сигналы напряжения в каждой фазе относительно нейтральной точки звезды смещены на 120°. Поэтому, в случае идентичности нагрузок каждой фазы, суммарный ток в нейтральном проводе равен 0. В случае несимметричности нагрузок в нейтральном проводе течет только результирующий ток, вызванный разностью нагрузок. В прошлом электромонтажные компании, учитывая слабую силу токов в нейтральном проводе, с одобрения соответствующих стандартов использовали для нейтрального провода жилу с сечением в ½ от сечения фазового провода. Однако, если токи основной частоты в нейтральном проводе взаимнокомпенсируются, то с гармоническими токами такого не происходит. Действительно, амплитуды гармоник, частота которых равна утроенной основной частоте, умноженной на нечетный множитель (гармоники порядка 3N), складываются в нейтральном проводе.

На рис. 12 проиллюстрирован этот эффект. Как видно на графиках, фазовые токи, показанные в верхней части рисунка, сдвинуты относительно друг друга на 120°. Третьи гармоники всех фазовых токов синфазны. Частота третьей гармоники в три раза больше основной частоты и сдвинута относительно нее на 1/3 периода.
Эффективный ток третьих гармоник в нейтральном проводнике показан на нижнем графике. В рассматриваемом случае токи третьей гармоники каждой фазы с амплитудой 70% от амплитуды основной частоты в нейтральном проводе дают амплитуду суммарного тока, равную 210%.
Расчеты для электросетей конкретных коммерческих зданий показывают, что амплитуда тока в нейтральном проводе может составлять от 150% до 210% амплитуды фазового тока. Тогда как сечение этого провода в два раза меньше сечения фазового провода!

Существует определенная путаница по поводу того, как проектировщики должны бороться с рассматриваемой проблемой. Простое решение для электросетей, в которых используются одножильные провода, — это проложить нейтральный провод в два раза большего сечения (либо в виде двух отдельных жил, либо одной жилой большего сечения). Там, где используются многожильные провода, решение не будет таким простым. Параметры многожильных проводов определяются их производителями исходя из следующих условий: нагрузка в фазах симметричная, а ток в нейтральном проводе отсутствует. Другими словами, только по трем из четырех или пяти жил течет ток и производит тепло. Так как токонесущая способность кабеля ограничивается только теплом, которое он может рассеивать на максимально допустимой температуре, то из этого следует, что кабели, в которых протекают токи гармоник порядка 3N, не соответствуют нормативам. В соответствии с рассмотренным примером, кабель несет пять единиц тока: три в фазовых проводах и две – в нейтральном, в то время как он рассчитан только на три единицы. Его токонесущая способность в соответствии с новыми условиями должна быть уменьшена на 60%. В приложении «С» стандарта IEC 60364-5-523 (информационном) предлагается диапазон коэффициентов снижения номиналов токонесущей способности кабелей для сетей, в которых возможно появление токов гармоник порядка 3N.
На рис. 13 показан график для определения коэффициента уменьшения номинала токонесущей способности кабеля в соответствии с наличием токов 3N-гармоник по рекомендациям приложения «С» стандарта IEC 60364-5-523 и по описанному выше тепловому методу.
Влияние гармоник на трансформаторы
Гармоники воздействуют на трансформаторы двояко. В первую очередь пропорционально квадрату номера гармоники возрастают потери, вызванные вихревыми токами, которые обычно при полной нагрузке составляют около 10%. На практике потери в полностью нагруженном трансформаторе, нагрузка которого представлена цифровым офисным и вычислительным оборудованием, будут в два раза выше, чем для эквивалентной линей-ной нагрузки. Результатом является намного более высокая рабочая температура и сокращение срока службы. Действительно, срок службы в таких условиях может уменьшиться с 40лет до 40 дней! К счастью очень редко трансформаторы работают с полной нагрузкой, но при выборе питающей подстанции необходимо учитывать этот эффект.
Второй аспект связан с токами нечетных гармоник порядка кратного 3 (3N). При отражении обратно в обмотку, соединенную по схеме «треугольник», все эти гармоники оказываются в фазе и их токи циркулируют в обмотке. Токи гармоник 3N эффективно поглощаются в обмотке и не поступают в питающую сеть. Поэтому трансформаторы с обмоткой, соединенной «треугольником», могут использоваться как изолирующие трансформаторы. Однако все остальные «не 3N» гармоники проходят через трансформатор. Циркулирующие токи гармоник нужно учитывать при выборе номинала трансформатора по току.
Случайное срабатывание устройств защитного отключения
Принцип работы устройств защитного отключения при утечке тока на землю (УЗО) основан на суммировании тока в фазовом и в нейтральном проводах и, если результат не по-падает в заданные границы, отключении мощности от нагрузки. При наличии гармоник случайное переключение может произойти по двум причинам. Первая – УЗО, являясь электро-механическим устройством, не в состоянии корректно суммировать высокочастотные составляющие и поэтому происходит ошибочное отключение. Второе – оборудование, которое генерирует гармоники, также создает шумы переключения, которые должны отфильтровываться на разъеме электропитания оборудования. Обычно использующиеся для этого фильтры имеют конденсатор, включенный между фазовым проводом и землей и нейтральным проводом и землей. Через него на землю протекает слабый ток. Согласно стандартам этот ток не должен быть больше 3,5 мА, а на практике обычно он гораздо меньше данного значения. Но когда в одной цепи находится большое количество такого оборудования, то суммарная величина этих токов может оказаться достаточной для срабатывания УЗО. Описанную ситуацию легко избежать, если организовать несколько цепей, в каждую из которых включено меньшее количество оборудования.
Ошибочное выключение миниатюрных автоматических выключателей (МАВ) происходит по причине того, что из-за гармонических токов протекающий в цепи ток больше, чем ожидалось на основании расчетов или простого измерения. Большинство портативных измерительных приборов не в состоянии определять истинное среднеквадратичное значение и могут занижать результат для несинусоидальных токов на 40%.
Перегрузка конденсаторов коррекции коэффициента мощности

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности (ККМ) используются для смещения в сторону опережения фазового угла тока с целью компенсации его запаздывания по фазе, создаваемого индуктивной нагрузкой, например индуктивными электродвигателями.

На рис. 14 показана эквивалентная схема конденсатора коррекции коэффициента мощности с нелинейной нагрузкой. Импеданс конденсатора ККМ уменьшается с увеличением частоты, в то время как импеданс источника, который, как правило, имеет индуктивный характер, возрастает с увеличением частоты. Поэтому через конденсатор может протекать довольно большой гармонический ток, и если он специально не рассчитан на это, то такая ситуация приведет к его выходу из строя. Потенциально более серьезная проблема возник-нет в том случае, когда конденсатор и паразитная индуктивность питающей сети на частоте одной из гармоник входят в резонанс (что, конечно, может происходить с интервалом в 100 Гц). Если это происходит, то образуются очень высокие напряжения и токи, часто приводящие к катастрофическим разрушениям конденсаторной системы.

Для устранения возможного резонанса в цепь последовательно с конденсатором ставят индуктивность такой величины, чтобы полученная пара имела минимальный индуктивный характер на низшей значимой гармонике. Это решение также ограничивает ток гармоники, который может протекать через конденсатор. Трудности может вызвать физический размер индуктивности, особенно если в сети имеются гармоники низших порядков.

Поверхностный эффект

Переменный ток стремится протекать ближе к внешней поверхности проводника. Это явление известно как поверхностный эффект. Чем выше частота тока, тем поверхностный эффект более выраженный. Обычно поверхностный эффект не учитывается, так как на частоте питающей сети он практически незаметен. Но на частоте 350Гц и выше (что соответствует гармонике седьмого и более высоких порядков) поверхностный эффект становится ощутимым. Он проявляется в потерях электроэнергии и дополнительном выделении тепла. Если присутствуют токи гармоник, то проектировщики должны учитывать поверхностный эффект и соответственно снижать значение номинальной токонесущей способности провода. Для преодоления негативных влияний поверхностного эффекта можно использовать многожильные провода или ламинированные шины. Конструкция приспособлений для крепления шин должна исключать механический резонанс на частотах гармоник.
Рис. 15. Искажение сигнала напряжения, вызванное нелинейным характером нагрузки
Рис. 16. Разделение линейной и нелинейной нагрузки
Негативные явления, вызванные гармоническими напряжениями
Поскольку в сети электропитания имеется импеданс источника, гармонические токи нагрузки вызывают искажения сигнала напряжения в результате воздействия гармонических напряжений (это проявляется как «плоская верхушка»). Импеданс питающей сети складывается из двух составляющих: импеданс внутренней проводки от точки общего соединения (ТОС) импеданса источника в ТОС, т.е., импеданса местного питающего трансформатора (смотри рис. 15).
Искаженный ток нагрузки, вытекающий из нелинейной нагрузки, вызывает искаженное падение напряжения на импедансе электропроводки. В результате напряжение с искаженной формой прикладывается ко всем другим нагрузкам, включенным в ту же цепь, что приводит к образованию гармонических токов, протекающих через них, даже если эти нагрузки имеют линейный характер.
Решение заключается в отделении нагрузки, создающей поступающие в сеть гармоники, от включенных в ту же сеть нагрузок, чувствительных к воздействию гармоник. Такой подход проиллюстрирован на рис. 16. Линейные и нелинейные нагрузки получают питание по разным цепям, ответвляющимся от общей точки соединения, и вызываемые нелинейной нагрузкой искажения не воздействуют на линейную нагрузку.
При определении амплитуды гармонических искажений напряжения, необходимо учитывать, что если нагрузка во время аварийного отключения напряжения переключается на источник бесперебойного питания или на резервный генератор, то импеданс источника, а, следовательно, и результирующее искажение напряжения, будут значительно выше.
Там, где устанавливаются местные трансформаторы, их необходимо выбирать по критерию минимального выходного импеданса и наличию большого запаса устойчивости к воздействию дополнительного тепловыделения. Другими словами, с большим запасом по размеру. Нельзя выбирать трансформаторы, у которых увеличение мощности достигается просто принудительным охлаждением – такие устройства будут работать в условиях повышенной внутренней температуры и иметь укороченный срок службы. Принудительное охлаждение может быть предусмотрено в качестве резерва только для экстремальных режимов работы и не являться необходимым в обычных режимах.
Индукционные электродвигатели
Гармонические искажения напряжения увеличивают потери в электродвигателях на вихревые токи, так же как и в трансформаторах. Также дополнительные потери возникают в результате образования под воздействием гармонических токов магнитных полей в ста-торе, каждое из которых пытается вращать ротор электродвигателя с разной скоростью как вперед, так и назад. Возникающие в роторе в результате индукции токи высокой частоты еще больше увеличивают потери.
В системах, где присутствуют гармонические токи, номинальные параметры двигателя должны быть пересмотрены в сторону увеличения с учетом возможных потерь.
Шумы с переходом через ноль
Многие электронные контроллеры обнаруживают точку перехода напряжения питания через ноль для определения момента включения нагрузки. Это делается, потому что подключение реактивной нагрузки в момент нулевого напряжения не вызывает появления переходных процессов, чем снижаются электромагнитные помехи и нагрузка на полупроводниковые переключающие устройства. Когда в цепи источника электропитания присутствуют гармоники или переходные токи, скорость перехода напряжения через ноль становится быстрее, а момент перехода трудно обнаруживаемым, что приводит к ложному
срабатыванию. На практике за полупериод может произойти несколько переходов через ноль.
Негативное влияние гармоник на источник электропитания
Когда гармонический ток вытекает из источника питания, он вызывает рост гармонического падения напряжения пропорционально импедансу источника в точке общего соединения. Так как цепь источника питания в общем случае имеет индуктивный характер, то с увеличением частоты растет и импеданс источника. Естественно, что напряжение в точке общего соединения уже искажено гармоническими токами, создаваемыми другими потребителями и в результате искажений, присущих трансформаторам. Каждый потребитель вносит дополнительные искажения.
Естественно, потребители не должны вносить в систему дополнительные помехи, наносящие ущерб другим пользователям. Поэтому в большинстве стран электроснабжающие отрасли определили нормативы, ограничивающие допустимую амплитуду гармонических токов.
Меры, направленные на уменьшение гармоник
В данном разделе представлен краткий обзор способов уменьшения количества гармоник в сети. Эти способы можно объединить в три основные группы: пассивные фильтры, трансформаторы (изолирующие и уменьшающие количество гармонических составляющих) и активные устройства. Каждое из этих решений имеет свои преимущества и недостатки, поэтому не существует единственного наилучшего решения. В борьбе с гармоника-ми очень легко потратить большие средства на неподходящее в данном конкретном случае и неэффективное решение. Поэтому выбору инструмента должно предшествовать тщательное изучение ситуации.

Пассивные фильтры
Пассивные фильтры служат для образования для гармонических токов пути с низким полным сопротивлением, чтобы они протекали через фильтр, а не через источник питания (рис. 17). В зависимости от необходимости фильтр может быть подобран для одной гармоники или для широкого спектра.
Иногда возникает необходимость в разработке более сложного фильтра для увеличения последовательного импеданса на частоте гармоники и, соответственно, уменьшения доли гармонического то-ка, вытекающего обратно в источник питания (рис. 18).
Иногда предлагаются обычные последовательные заграждающие фильтры, устанавливаемые либо в фазовый, либо в нейтральный провод. Такой фильтр предназначен скорее для отсекания гармонических токов, чем для их управляемого отвода. Поэтому на таких фильтрах возникает значительное падение напряжения на частоте гармонического тока. Это гармоническое напряжение через источник питания прикладывается к нагрузке. По-скольку напряжение источника становится сильно искаженным, то оно выходит за рамки нормы, на которую рассчитано оборудование и по которой устанавливается гарантия на оборудование. Некоторое оборудование относительно нечувствительно к такому искажению, а некоторое наоборот, очень чувствительно. Последовательные фильтры могут быть полезны при определенных обстоятельствах, но применять их необходимо с осторожностью. Их нельзя рекомендовать как универсальное средство для общего случая.
Изолирующие трансформаторы

Как ранее указывалось, токи гармоник порядка 3N циркулируют по обмотке трансформатора, соединенной по схеме «треугольник». С одной стороны это создает дополнительные трудности для производителей трансформаторов – необходимо учитывать дополнительную нагрузку – с другой стороны позволяет проектировщикам систем изолировать токи гармоник 3N от источника питания. Тот же эффект можно достичь, если использовать трансформатор с обмоткой, соединенной зигзагом. Соединение по схеме «зигзаг» — это соединение обмоток трансформатора, при котором один конец обмотки каждой фазы трехфазного трансформатора присоединен к общей точке (нейтрали), а обмотка каждой фазы со-стоит из двух частей, в каждой из которых индуктируются сдвинутые по фазе напряжения.
Активные фильтры

Ранее описанные решения эффективны только для определенных гармоник. Изолирующий трансформатор позволяет устранить только гармоники порядка 3N, а пассивные фильтры настроены только на частоту определенной гармони-ки. В некоторых сетях состав гармоник менее предсказуем. Во многих сетях, к которым подключено цифровое информационное оборудование, состав такого оборудования и точки его подключения постоянно меняются, поэтому содержание гармоник в сети также постоянно меняется. Обычным решением в таких случаях является установка активного фильтра или активного согласующего устройства.
Как показано на рис. 20, активный фильтр является шунтирующим устройством. Трансформатор тока измеряет содержание гармоник в токе нагрузки и управляет генератором тока, создающим точную копию, которая в следующем цикле подается в сеть источника. Так как гармонический ток генерируется и поступает в сеть из активного согласующего
Рис. 19. Изолирующий трансформатор с обмотками «треугольник» и «звезда»
Рис. 20. Активный фильтр гармоник
устройства, то из источника в сеть подается только ток основной частоты. На практике амплитуда гармонического тока уменьшается на 90%. Соответственно уменьшается импеданс источника на частоте гармоники и уменьшается искажение напряжения.
Заключение
Практически все современное электрическое оборудование имеет импульсные источники питания или какую-либо схему управления питанием, поэтому является нелинейной нагрузкой. Линейная же нагрузка встречается очень редко. Типичными примерами обще-употребительных линейных устройств являются обычные лампы накаливания без устройств регулировки яркости и нерегулируемые нагреватели. Современные и разрабатываемые стандарты не предусматривают жестких ограничений на загрязнение электросети гармоническими составляющими для цифрового оборудования, такого как персональные компьютеры. А это тот тип оборудования, который создает большое количество связанных с гармониками трудностей, наблюдаемых сегодня в промышленности и различных учреждениях. Частично из-за большого количества такого оборудования, частично из-за того, что создаваемые им гармоники в основном являются гармониками порядка 3N. Так как наблюдается устойчивый рост загрязнения электросетей гармониками, то потребуются дополнительные капиталовложения в правильное проектирование электросетей, под-бор соответствующего электротехнического оборудования и надлежащее техническое обслуживание.

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *