PSERC EMI, Power Quality, and Safety Workshop April 18-19, 2002
Международная Электротехническая Комиссия (IEC) установила ограничения на гармоники для однофазных и трехфазных электрических потребителей нагрузкой меньше чем 16 А на фазу [2]. IEEE Single Phase Harmonics Task Force (P1495) разрабатывает подобный стандарт для однофазных потребителей нагрузкой менее 40 А. Однако в нем еще не оговорено какими ограничения должны быть и вообще нужны ли они.
Негативное воздействие гармоник на электрическую сеть заключается в следующем: телефонный шум, дополнительный нагрев преобразователей и другого оборудования, выход из строя конденсатора, и другое, хотелось бы ограничить уровни воздействия гармоник на электрическую сеть. Производители, тем не менее, обеспокоены изменением стоимости их оборудования, в связи с ограничением гармонического влияния. Этот документ объединяет пределы IEC и предложения ограничения IEEE на гармоники, обсуждается потребность ограничений гармоник в однофазных сетях, и приведено какими могут быть эти пределы.
Гармоники в электрической сети могут вызвать:
нагрев преобразователя; искажение вторичного напряжения преобразователя; Iувеличение потерь мощности;/p>
перегрузку нулевых проводов и конденсаторов; шум телефонных и коммуникационных системы.
Существуют два пути уменьшения воздействия гармоник. Первый – традиционный метод, который не уменьшает величины гармоники, она также само неблагоприятно воздействует на электроприемник. Этот метод реализуется при помощи:
установления более мощного преобразователя; увеличения сечения нейтрального провода и максимально допустимого тока конденсатора; настройка резонансных цепей; установления пассивных или активных фильтров.
Увеличение расходов обычно несет оборудование, которое является причиной гармоник, или то оборудование, на которое гармоники воздействуют.
Эта теория минимизации рассматривает гармоники как часть электрической нагрузки и таким образом гармоники должны обслуживаться. Эта теория согласна на увеличенные убытков из-за гармоник, которые являются по сути дела частью нагрузки, как и реактивная мощность. Недостаток этой теории минимизации убытков то, что ничего не делается для устранения гармоник, убытки от воздействия гармоник намного выше, чем их устранение.
Другой вариант для решения проблем гармоник заключается в ограничении гармонических токов при помощи изменения конструкции самого электроприемника. Эта теория минимизации гласит о том, что мы имеем постоянную частоту энергосистемы, и нагрузка должна ограничиваться в потреблении других частот.
Эти ограничения по большей части распространяются на компьютер и другое электронное оборудование, потому что выпрямительные блоки питания в этих устройствах потребляют высокоуровневый гармонический ток. Много производителей противостоят ограничениям, по следующим причинам. Конкуренция с другими производителями не является проблемой; стандарты охватывают всех производителей. Но ограничения требуют дополнительных инвестиций, и срок окупаемости этой инвестиции очень низкий; и таким образом это не увеличивает доходы компании.
IEC, управляющая Европейским Союзом, приняла требования, в соответствии, с которыми производители ограничивают уровни гармоник, эти ограничения приведены в стандарте IEC 61000-3-2 [2]. Этот стандарт распространяется на все однофазные и трехфазные электроприемники нагрузки менее чем 16 на фазу. Продукция должна проверяться в лабораториях на соответствие требованиям стандарта. Стандарт 61000-3-2 вступил в действовие с 1 январе 2001 года, хотя принудительное выполнение требований ограничено.
Стандарт классифицирует электрические нагрузки в соответствии с табл. 1. Стандарт как оригинальная публикация использует классификацию, приведенную с левой стороны этой таблицы, со специальной формой сигнала приведенной на рис. 1. Специальная форма сигнала является доверительной границей, с которой сравнивается текущая форма сигнала. Входная помеха не должна превышать заданные ограничения с вероятностью 95 % .
После переговоров с производителями противостоящих ограничениям, Исправление A14, это классификация находиться в правом столбце таблицы, публиковалось, и у производителей есть три года, в течение которых они должны использовать любой набор классификаций [4]. После 1 января, 2004, Исправление A14 вступает в силу.
Ограничения по гармоникам для разного класса оборудования приведены в табл. 2-5. Необходимо отметить, что эти ограничения приведены по отдельным гармоникам, и не обобщают полного гармонического искажения (THD). Для 230 В класса D оборудования (ПК, мониторов ПК, и телевизоров) мощностью менее чем 600 Вт, искаженная форма сигнала, имеет максимально допустимое искажение в каждой гармонике, на 95% сейчас.
EN 61000-3-2 Классификация |
Исправление A14 Классификация |
| Класс А: Симметричное 3-х фазное оборудование, однофазное оборудование не входит сюда | Класс А: Симметричное 3-х фазное оборудование; бытовое электрооборудование без оборудования приведенного в Классе D; инструменты (кроме того портативный компьютер), реостаты для ламп накаливания (но не осветительное оборудование), аудио оборудования; остальное оборудование нигде не классифицированное |
| Класс B: Мобильное энергетическое оборудование | Класс B: (без изменений) |
| Класс C: Осветительное оборудование мощностью выше 25 Вт | Класс C: Все осветительное оборудование, кроме реостатов. |
| Класс D: Не относящиеся ни к классу B и C, однофазные, не управляемые двигатели, согласно с 600 W, и оборудование со "специальной формой сигнала" | Класс D: Однофазные нагрузки мощностью меньше 600 Вт, персональный компьютер, монитор ПК, телевизоры. |
Номера гармоники |
Максимально допустимое значение тока гармоники
|
| Нечетные гармоники | |
| 3 5 7 9 11 13 15≤n≤39 |
2.30 1.14 0.77 0.40 0.33 0.21 2.25/n |
| Четные гармоники | |
| 2 4 6 8≤n≤40 |
1.08 0.43 0.30 1.84/n |
Номера гармоники |
Максимально допустимое значение тока гармоники
|
| Нечетные гармоники | |
| 3 5 7 9 11 13 15≤n≤39 |
3.45 1.71 1.155 0.60 0.495 0.315 3.375/n |
| Четные гармоники | |
| 2 4 6 8≤n≤40 |
1.62 0.645 0.45 2.76/n |
Номера гармоники |
Максимально допустимое значение тока гармоники
|
| 2 3 5 7 9 11≤n≤39 |
2 30 × коэффициент мощности цепи 10 7 5 3 |
Номера гармоники |
75 Вт < P < 600 Вт | 3 5 7 9 11 13 15≤n≤39 |
3.4 1.9 1.0 0.5 0.35 0.296 3.85/n |
2.30 1.14 0.77 0.40 0.33 0.21 2.25/n |
Существует ряд отличий между энергосистемами Евросоюза и США, таким образом, ограничения на гармоники для США отличаются от стандартов IEC. Европейская система не использует никакого нейтрального провода на среднем распределении напряжении, оболочка кабеля для подземной части, они используют трансформаторы со схемой соединения зигзаг, для получения напряжения 400/230 В. В результате чего она менее восприимчива к искажению гармоник кратных трем (3, 6, 9.), чем энергосистема США. Европейская система энергоснабжения имеет более обширную распределительную сеть вторичного напряжения 400/230 В, таким образом, полное сопротивление сети выше, чем в США. Система США имеет более высокое вторичное полное сопротивление за точкой общей связи, тем не менее, это из-за меньшего количества использованных распределительных трансформаторов.
IIEEE принял во внимание эти отличия, и изучив, что между распределением искажений тока и напряжения есть взаимосвязь [9, 10], IEEE создал руководство, по ограничению гармоник для однофазных потребителей с номинальными данными, ниже чем 600 В и 40 А [8]. Это черновое руководство разделяет нагрузки на два класса:
"Мощные нелинейные нагрузки и батареи зарядных устройств, а также большое количество менее мощных устройств и электронные балласты были обнаружены в коммерческих офисах и предприятиях. [8]" Рекомендуемые максимальные уровни токового искажения, учитывая эти нагрузки, приведены в табл. 6. Руководство также предлагает минимальный коэффициент мощности 0.95 для мощных нагрузок.
| Максимальный THDI | 15% |
| Максимальный ток третей гармоники | 10% |
“Маломощные нелинейные нагрузки не сконцентрированы на небольшой территории [8]”. В табл. 7 приведены рекомендуемые ограничения, которые в два раза выше значений в табл. 6, для этих нагрузок.
| Максимальный THDI | 30% |
| Максимальный ток третей гармоники | 20% |
Из-за большого количества компьютеров в их офисах, Администрация Социального Страхования США приняла лимит 15% THD по току для компьютеров, купленных после 1999 [8]. Пока компьютерные поставщики не приветствуют это ограничение, они поставляют компьютеры, что влечет за собой около 35% THD по току, значительно лучше, чем 90-100% THD по току большинства компьютеров, купленных сегодня.
Комиссионное Вознаграждение Энергии Калифорнии, работают с Национальным Консилиумом Работы Инфраструктуры Электрокара, приняли стандарты для батарейных зарядных устройств электрической машины [8]. Они ограничивают искажение тока до 20% THD и устанавливают минимальный коэффициент мощности 0.95. Поставщики зарядных устройств удовлетворили эти требования.
Некоторые производители в США противятся ограничениям тока гармоник. Эта проблема порождает вопрос о социальной стоимости. Необходимы исследования для ответа на этот вопрос, который заключается в следующем:
стоимость минимизации возникающих проблем;
стоимость потерянного производства вызванного гармониками прежде, чем они будут решены;
стоимость потерь изготовителей, в связи с принятием предложенных ограничений.
1. Ward Jewell, Bill Miller, Tom Casey, “Filtering Dispersed Harmonic Sources on Distribution,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 15, No. 3, July 2000, pp. 1045-1051.
2. IEC 61000-3-2 (2001-10) Consolidated Edition. Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for harmonic current emissions (equipment input current <= 16A per phase)
3. Isidor Straus, Changes Are Coming To The EU’s Power Line Harmonic Requirements, Conformity, January 2001.
4. J. M. Woodgate, EMC – Low frequency conducted emissions, Curtis-Straus Update, Sept. 8, 2000.
5. Philip D Slade, Harmonics and Flicker - the low frequency end of the EMC spectrum, EMC Compliance Journal.
6. Nils Borg, Natan Gothelf, Lighting power Quality Standards - A Brief International Overview, International Association for Energy-Efficient Lighting (IAEEL) Newsletter, March-April 1995.
7. Giorgio Spiazzi, Electromagnetic Compatibility (EMC) Low-Frequency Standards, August 2000.
8. Draft Guide for Harmonic Limits for Single-Phase Equipment, P1495/D3, Sponsored by the Transmission and Distribution Committee of the IEEE Power Engineering Society, January 26, 2002.
9. Pileggi, D.J. et al, “The Effect of Modern Compact Fluorescent Lights on Voltage Distortion”, IEEE Transactions on Power Delivery, v8, n3, July 1993, pp 1451-59.
10. R.S. Thallam, W.M. Grady, M.J. Samotyj, “Estimating Future Harmonic Distortion Levels Due to Single Phase Adjustable-Speed Drive Air Conditioners”, IEEE ICHPS 1992.