Аннотация
Статья посвящена проблеме высших гармоник в системах электроснабжения промышленных предприятий. Рассмотрены физические процессы возникновения гармонических искажений, их классификация по последовательностям (прямая, обратная, нулевая) и основные источники высших гармоник. Подробно проанализированы негативные последствия гармонических искажений для электрооборудования и систем электроснабжения. Представлен обзор основных методов подавления высших гармоник, включая пассивные и активные методы компенсации.
Ключевые направления исследования
Высшие гармоники
Анализ гармонических искажений в системах электроснабжения
Промышленные сети
Влияние нелинейных нагрузок на качество электроэнергии
Методы компенсации
Пассивные и активные способы подавления гармоник
Негативные эффекты
Влияние гармоник на оборудование и потери энергии
Основные положения и методы
Теоретические основы гармонических искажений:
Несинусоидальные кривые токов и напряжений рассматриваются как сложные гармонические колебания, которые могут быть представлены тригонометрическим рядом Эйлера-Фурье:
При k=1 определяется основная гармоника, остальные члены ряда (k>1) называются высшими гармониками.
Классификация гармоник в трехфазных цепях:
| Группа | Порядковые номера | Последовательность | Характеристика |
|---|---|---|---|
| Первая группа | k = 3n + 1 | Прямая последовательность | Образуют симметричные системы напряжений прямой последовательности |
| Вторая группа | k = 3n - 1 | Обратная последовательность | Образуют симметричные системы напряжений обратной последовательности |
| Третья группа | k = 3n | Нулевая последовательность | Векторы напряжений во всех фазах имеют одинаковые модули и направления |
Основные источники высших гармоник на промышленных предприятиях:
Важно: Основными источниками гармонических искажений являются нелинейные электроприемники, которые потребляют из сети несинусоидальные токи при синусоидальном напряжении.
Вентильные преобразователи
Содержат канонические гармоники (k = 5, 7, 11, 13, 17, 19, ...) и анормальные гармоники (k = 2, 3, 4, 6, 8, 10, ...). Амплитуды анормальных гармоник обычно невелики по сравнению с каноническими.
Дуговые электрические печи
Уровень 5, 7, 11 и 13-й гармоник невелик, но 2, 3, 4, 6-я гармоники значительно ощутимы. Эквивалентное действующее значение токов высших гармоник возрастает в 1,8-2 раза за счет анормальных гармоник.
Установки дуговой и контактной электросварки
Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения определяется в основном 5, 7, 11, 13-й гармониками.
Газоразрядные лампы
Токи 3-й и 5-й гармоник составляют 10% и 3% от тока 1-й гармоники соответственно. Эти токи складываются в нулевом рабочем проводнике, вызывая его перегрузку.
Негативные последствия высших гармоник:
Методы подавления высших гармоник:
Включение линейных дросселей
Простейший способ снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник. Дроссель имеет малое индуктивное сопротивление на основной частоте 50 Гц и значительные сопротивления для высших гармоник.
Применение пассивных фильтров
Использование пассивных LC-фильтров, настроенных на определенный порядок гармоник. Применяется, когда линейные дроссели не позволяют уменьшить гармонические искажения до желаемых пределов.
Применение разделительных трансформаторов
Трансформатор с обмотками "треугольник-звезда" позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке.
Применение магнитных синтезаторов
Обеспечивают защиту нагрузки от различных искажений напряжения питания, включая провалы, импульсы напряжения, импульсные и высокочастотные помехи, высшие гармоники.
Применение активного кондиционера гармоник (АКГ)
Основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения АКГ.
Улучшение формы кривой сетевого тока
Достигается компенсацией высших гармоник магнитного потока трансформатора преобразователя или обеспечением специальных законов управления преобразователями.
Увеличение числа фаз преобразователей
Позволяет снизить уровень гармонических искажений в сетях электроснабжения.
Рациональное построение схемы электроснабжения
Включает применение трансформаторов преобразователей с повышенным напряжением 110-330 кВ, питание нелинейных нагрузок от отдельных трансформаторов, подключение параллельно нелинейным нагрузкам синхронных и асинхронных электродвигателей.
Выводы и практическая значимость
Знание физических процессов возникновения высших гармоник тока и напряжения позволяет эффективно анализировать качество электроэнергии в системах электроснабжения
Классификация гармоник по последовательностям (прямая, обратная, нулевая) важна для выбора методов компенсации и защиты оборудования
Негативные последствия гармонических искажений требуют применения комплексных мер по их подавлению для обеспечения надежной работы электрооборудования
Существующие методы борьбы с высшими гармониками позволяют выбрать оптимальное решение для конкретных условий эксплуатации промышленных предприятий