Гармонические явления

Автор перевода: В. В. Писанюк
Источник:Harmonic-Phenomena. CTi Automation

Проблемы, создаваемые гармоникой:

Чрезмерное нагревание и отказ конденсаторов, конденсаторных плавких предохранителей, трансформаторов, двигателей, люминесцентных освещающих балластов;

Ложные срабатывания автоматического выключателя или предохранителей;

Необходимость снижение параметров нейтральных проводников из-за наличия третьей гармоники, и кратных 3-й гармоник, в нейтральных системах заземления;

Шум от гармоник, который приводит к ошибочной работе компоненты системы управления;

Повреждение чувствительного электронного оборудования;

Электронные сообщения о вмешательстве (неполадках).

Любое устройство с нелинейными характеристиками работы может производить гармоники в энергосистеме. Если Вы используете оборудование, которое вызывает возникновение гармоник или это оборудование ранее подвергалось проблеме с гармоническим составом, то использование конденсатора или фильтра станет неплохим вариантом для решения данной проблемы.

В дальнейшем последует рассмотрение гармоник, их особенностей и проблем, будут предложены наиболее эффективные варианты решений.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно растущий спрос, требование промышленности и торговли, для обеспечения стабильности, гибкости и точности управления в электрооборудовании привели к разработке относительно дешевых силовых диодов, тиристоров и других силовых полупроводников. В настоящее время они широко используются в схемах выпрямителей для источников бесперебойного питания (ИБП), статических преобразователях, для управления двигателями, эти современные приборы сумели заменить дуговые ртутные выпрямители прошлых лет, несмотря на создание новых и сложных условий для энергетики сегодня.

Хотя полупроводниковые приборы, такие как тиристор, принесли значительные улучшения относительно дизайна проектов, контроля и эффективности, но у них есть недостаток – производство гармоник.

Гармонические токи могут вызвать нарушения в питающей сети и отрицательно влияют на работу других электрических устройств, в том числе, на конденсаторы компенсации коэффициента мощности.

Мы концентрируем наше внимание на полупроводниковых гармонических источниках, связанных с твердотельной электроникой, но фактически есть много других источников гармонических потоков. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных направлениях:

Силовая электроника: преобразователи частоты (AC VFD, двигатели DC, двигатели PWM); системы ИБП, выпрямители, выключатель питания, статические преобразователи, тиристорные системы, диодные мосты, SCR контролируемых индукционных печей и SCR управляемых систем;

Оборудование, образующее дугу: дуговые печи, сварочные аппараты, освещение (ртутный пар, флуоресцентное);

Насыщаемые устройства: трансформаторы, электродвигатели, генераторы.

Если насыщение не происходит, то гармонические амплитуды на этих устройствах, как правило, незначительны по сравнению с силовой электроникой и дугообразующим оборудованием.

Форма волны

Гармоники представляют собой синусоидальные волны, кратные сигналу 60 Гц (то есть, 1-ая гармоника = 60 Гц; 5-ая гармоника = 300 Гц). Все сложные формы волны могут быть скомпонованы в серию синусоидальных волн различных частот, поэтому любой сложный сигнал представляет собой сумму числа четных или нечетных гармоник в той или иной степени. Гармоники являются непрерывными (стационарными) нарушениями или искажениями в электрической сети и могут быть представлены в виде шипов линии, скачков, перекосов, импульсов, которые классифицируются как преходящие нарушения.

Переходные проблемы обычно решаются, установкой устройства подавления или изоляции, такие как конденсаторы скачка, трансформаторы изоляции. Эти устройства помогут решать переходные проблемы, но не будут затрагивать уменьшение низкоуровневой гармоники или решать гармонические проблемы резонанса.

Гармонический состав

Тиристорные преобразователи (ТП) обычно называют числом импульсов постоянного тока, которые они производят каждый цикл. Наиболее часто используются 6-ти и 12-ти импульсные ТП. Есть много факторов, которые могут влиять на гармонику, типичные гармонические токи, показаны в виде процента от основного тока, данные приведены в таблице 1, графики поданы на рис. 1. Другие гармоники будут всегда присутствовать, до некоторой степени, но по практическим причинам они были проигнорированы.

Таблица 1 – Результаты моделирования

Рисунок 1 – Типичные гармонические токи

Гармоническая перегрузка конденсаторов

Сопротивление цепи определяет ток в этой цепи. Поскольку величина сопротивления, как правило, считается индуктивной, то сопротивление сети увеличивается с частотой, а сопротивление конденсатора уменьшается. Это заставляет большую часть тока, в частотах выше фундаментальной частоты питания быть поглощенной конденсатором и всем оборудованием, связанным с ним.

При определенных обстоятельствах гармонические токи могут превышать ценность фундаментального конденсаторного тока (на 60 Гц). Эти гармонические проблемы могут также вызвать увеличенное напряжение на диэлектрике конденсатора, который мог превысить максимальное номинальное напряжение конденсатора, приводящего к преждевременному конденсаторному отказу.

Гармонический резонанс

Гармонический резонанс или отборная резонансная частота достигается, когда сопротивление конденсатора и реактивное сопротивление равны. Всякий раз, когда коррекции коэффициента мощности конденсатора применены к распределительной сети, которая объединяет емкость и индуктивность, всегда будет частота, в которой конденсаторы находятся в параллельном резонансе с сопротивлением. Если это условие происходит, либо близко к одной из гармоник, генерируемых контрольно-измерительными приборами твердого состояния, то большие гармонические токи могут циркулировать между питающей сетью и емкостным оборудованием. В цепи эти токи ограничены только сопротивлением демпфирования. Такие токи приведут к гармоническому волнению напряжения в сети, и как следствие в итоге получим увеличенное искажение напряжения. Это приводит к повышению напряжения на конденсаторе и чрезмерному току, проходящему через все компоненты конденсатора. Резонанс может произойти на любой частоте, но в целом, резонанс, с которым мы имеем дело, идет, или близок к, 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоники для 6-ти импульсной системы (рис. 2).

Рисунок 2 – Гармонический резонанс

Как избежать резонанса?

Есть много способов избежать резонанса, устанавливая конденсаторы. В больших системах, возможно, установить их в части системы, которая не будет приводить к параллельному резонансу. С переключением конденсаторов будет различная резонансная частота для каждого шага. Изменением количества переключения шагов можно избежать резонанса на каждом этапе переключения (рис. 3).

Рисунок 3 – Шаговая система конденсатора

Преодоление резонанса

Если резонанса нельзя избежать, требуется альтернативное решение. Реактор должен быть связан последовательно с каждым конденсатором, таким образом, что конденсаторная/реакторная комбинация индуктивная в критических частотах, но емкостная в фундаментальной частоте. Для достижения этой цели, конденсатор и ряд последовательно соединенных реакторов соединились, у реактора должна быть настраивающаяся частота ниже самого низкого критического заказа гармоники, которая является обычно 5-ой. Это означает, что настраивающаяся частота находится в диапазоне от 175 Гц до 270 Гц, хотя фактическая частота будет зависеть от величины и порядка гармонических настраивающих токов. Добавление реактора в конденсаторную цепь увеличивает фундаментальное напряжение на конденсаторе. Поэтому, следует соблюдать осторожность, добавляя реакторы к существующим конденсаторам (рис. 4).

Рисунок 4 – Добавление реактора в конденсаторную цепь

Сокращение гармонического искажения

Гармонические токи могут быть значительно уменьшены в электрической системе с помощью фильтров гармоник. В своей основной форме, фильтр состоит из конденсатора, соединенного последовательно с реактором, настроенным на определенную гармоническую частоту. В теории, сопротивление фильтра – в настраивающейся частоте; поэтому гармонический ток поглощается фильтром. Это, в сочетании с естественным сопротивлением цепи, означает, что только небольшой уровень гармонических составляющих тока будет течь в сети.

Типы фильтров

Эффективность любого дизайна фильтра зависит от реактивной продукции фильтра, точность настройки и сопротивление сети в точке подключения. Гармоника ниже настраивающей частоты фильтра будет усиливаться. Дизайн фильтра важен, чтобы гарантировать, что искажение не усилено к недопустимым уровням. При наличии нескольких видимых гармоник, фильтр может уменьшить некоторую гармонику, увеличивая другие. Фильтр для 7-ой гармоники создает параллельный резонанс около 5-ой гармоники с усилением существующей 5-ой гармоники; поэтому, 7-ой гармонический фильтр требует 5-ого гармонического фильтра (рис. 5).

Рисунок 5 – Гармонический фильтр

Следовательно, часто приходится использовать несколько фильтров, где каждый фильтр настроен на другую частоту. Опыт чрезвычайно важен при разработке таких фильтров, чтобы обеспечить:

выбор наиболее эффективного и экономически выгодного решения;

не оказывают неблагоприятного взаимодействия между системой и фильтром.

Ввод изменений

Всякий раз, когда рассматривают расширение нагрузки, сеть, вероятно, изменится, и существующее оборудование фильтра должно быть оценено вместе с новым условием нагрузки. Не рекомендуется иметь два или больше фильтра, настроенные на ту же самую частоту, связанную на той же самой системе распределения. Небольшие настраивающие различия могут заставить один фильтр брать намного большую долю гармонического искажения. Или, это может вызвать увеличение гармонического порядка, для которого было разработано оборудование, чтобы его уменьшить. Когда есть потребность изменить компонент коррекции коэффициента мощности гармонического фильтра, необходимо тщательное рассмотрение всех параметров нагрузки.

Гармонический анализ

Первым шагом в решении проблем, связанных с гармоническим составом, является проведение анализа для определения конкретных потребностей вашей системы распределения электроэнергии. Чтобы определить требования конденсатора и фильтра, необходимо установить сопротивление питающей сети и значения каждой гармоники тока. Затем конденсатор, реактор и фильтрующее оборудование будут определены при очень подробном и строгом компьютерном анализе, чтобы соответствовать Вашим потребностям.

Решение АВВ для гармоник

ABB – является крупнейшим в мире производителем сухого типа конденсаторов низкого напряжения! Компания ABB использует этот опыт в рекомендации трех вариантов решения проблем, связанных с применением конденсаторов для систем, имеющих коэффициент гармонических искажений:

Применять правильное количество емкостей к сети, чтобы избежать резонанса с источником. Это может быть трудно, особенно в автоматических системах, поскольку емкость всегда изменяется. Это решение обычно означает соединять меньше емкости с системой, чем фактически необходимо для оптимального исправления коэффициента мощности;

Установка реакторов в серии с конденсаторами, чтобы снизить резонанс ниже критической гармоники, то есть, 5, 7, 11 и 13. Этот дизайн настраивает резонансную частоту системы значительно ниже критической гармоники и назван антирезонанс. Это решение позволяет конденсаторам работать в гармонической среде;

Фильтры рекомендуется, если существует проблема с гармоническими искажениями до применения коррекции коэффициента мощности, или если гармоническое искажение выше пределов, рекомендованных в IEEE 519, "Руководство для гармонических управления и компенсации реактивной статических преобразователей власти". (Рекомендуемые пределы искажения напряжения в IEEE 519 - 5% для общего назначения). Настроенные фильтры, измеренные, чтобы уменьшить гармоническое искажение в критических частотах, обладают преимуществами исправления коэффициента мощности и улучшения качества сети питания.

Благодаря нашим знаниям гармоник, ABB предлагает полный ассортимент продукции от индивидуальных конденсаторов до сетевых фильтров системы. Все эти продукты используют сухие элементы конденсатора коррекции коэффициента мощности АВВ низкого напряжения, которые являются самозаживлением для внутренних ошибок. Чтобы поддержать строгие стандарты контроля качества, большинство компонентов контроля, найдены в автоматическом и анти резонансном продуктах, являются также продуктами АВВ. Эти продукты включают в себя контакторы, автоматические выключатели, реле контроля, отсоедините выключатели, реле мощности и устройства кнопки.

Особенности конденсатора АВВ; услуги

Каждый продукт конденсатора ABB низкого напряжения включает уникальный сухой тип дизайна. Таким образом, экологические и кадровые проблемы, связанные с утечкой или воспламеняемостью обычных масляных единиц ликвидированы.

Другие особенности включают:

Запатентованная последовательная система защиты включает сухой дизайн самозаживления; внутренние защищенные элементы; и сухой, невоспламеняющийся наполнитель вермикулита;

Отдельные блоки, фиксированной и автоматической конструкции конденсатора 208 – 600 В;

Автоматический и фиксированный настроенный или анти резонансный конденсатор;

Коэффициент мощности и гармонических исследований;

UL и CSA.