Что такое гармоника в электротехнике

Максимально просто о гармониках и проблемах, возникающих от них

Анонс: Что такое гармонические искажения, гармоники и как они влияют на стабильность электроснабжения и качество электроэнергии в сети. Эмиссия гармонических искажений силовым оборудованием, проблемы технических средств компенсации реактивной мощности и фильтров гармоник.

В идеале любой источник питания, в том числе ТП распределительной сети, должен стабильно давать ток идеально синусоидального напряжения в каждом месте силовой сети абонента-потребителя, однако по ряду причин электросетевым компаниям часто бывает трудно обеспечить такие условия из-за эмиссии и трансмиссии гармонических искажений. Гармонические искажения тока, напряжения далеко не новость, но в настоящее время они представляют собой одну из основных проблем, вызывающих нарушения стабильности электроснабжения и качества электроэнергии в электроэнергетике.

В первых электроэнергетических системах гармонические искажения в основном вызывались насыщением трансформаторов, промышленных дуговых печей, мощных электросварочных аппаратов и т. п., а сами гармоники представляли сравнительно небольшую проблему из-за консервативной конструкции силового оборудования. Сегодня все более широкое использование нелинейных нагрузок в силовых сетях промышленных и непромышленных объектов обуславливает увеличение объемов гармонических искажений в распределительных сетях, причем именно через распределительные сети из-за «перегенерации» искажений трансформаторами ТП электросетевой компании силовые сети абонентов обмениваются гармониками между собой, (трансмиссия).

Наиболее часто используемой нелинейной нагрузкой является, пожалуй, ШИМ-преобразователь, широко используемый в сталелитейной, бумажной и текстильной промышленности, в приводах управление скоростью электродвигателя.

Гистограмма амплитуд гармоник, генерируемых в шестипульсном ШИМ-преобразователе

Наряду с этим, свой вклад в засорение сетей гармониками вносят системы энергосберегающего освещения, электроника центров обработки данных, программно-технических комплексов АСУ, электрические транспортные системы, бытовые электроприборы и т. д. К 2000 году было зафиксировано, что на электронные нагрузки приходилось около половины спроса на электроэнергию в США и развитых странах мира, а за два десятка лет нового века эта доля возросла до 70-80 %, и это вывело проблему гармонических искажений в перечень приоритетных и критических.

Для справки
Упрощенно, нелинейные нагрузки — это нагрузки, в которых форма волны тока не похожа на форму волны приложенного напряжения по ряду причин, например, из-за использования электронных переключателей, которые проводят ток только в течение части периода промышленной частоты и, следовательно, здесь закон Ома не может описать связь между напряжением и током. Среди наиболее распространенных нелинейных нагрузок — все типы выпрямительных устройств, в том числе источники бесперебойного питания, преобразователи напряжения компьютеров, частотно-регулируемые приводы, электрические печи, люминесцентные лампы и т. д. Нелинейные нагрузки вызывают искажение формы сигнала напряжения, перегрев трансформаторов и других силовых устройств, перегрузку по току проводов и клемм соединения оборудования, телефонные помехи, сбои в управлении микропроцессорами и пр.

Сам термин «гармоники» заимствован из области акустики, где он был связан с вибрацией струны или молекул воздуха с частотой, кратной базовой частоте, а гармоническая составляющая в системе питания переменного тока определяется как синусоидальная составляющая периодической формы волны, частота которой равна целому кратному основной частоте системы. Тогда гармоники в формах волны напряжения или тока можно представить, как идеально синусоидальные составляющие частот, кратных основной частоте: fn=(n)·f1, где n — порядок гармоники. Т. е. для наших сетей с f1=50 Гц частота третьей (n = 3) гармоники будет f3=3·50=150 Гц, пятой (n=5) f5=5·50=250 Гц, седьмой (n=7) f7=7·50=350 Гц и т. д. Хотя кривые зависимости тока на фундаментальной частоте и токов гармоник имеют форму синусоиды, результирующая кривая искажена из-за взаимного влияния токов разных частот (см. на рис. ниже).

Синусоиды тока фундаментальной частоты и токов 3, 5 и 7-й гармоник (сверху), результирующая кривая тока в силовой сети из-за взаимного влияния токов разных частот (снизу

Ситуация стала более сложной с применением конденсаторных батарей, используемых на промышленных предприятиях для коррекции коэффициента мощности, и энергокомпаниями для стабилизации напряжения вдоль распределительных линий. Результирующее реактивное сопротивление емкости образует колебательный контур с индуктивным реактивным сопротивлением системы на определенной (резонансной) частоте, которая может совпадать с одной из характеристических гармоник нагрузки, что обуславливает значительный наброс токов гармоник, перенапряжения, способные повредить изоляцию. По факту далеко не решает проблему в полном объеме использование активных фильтров гармоник (АФГ), по сути, тех же ШИМ-преобразователей (инвертеров), которые демпфируют гармоники противофазными токами «ниже» места присоединения, а для силовой сети «выше» остаются источниками эмиссии гармонических искажений.

Такая ситуация ставит перед инженерами сложную задачу по выявлению и исправлению чрезмерных уровней гармонических искажений формы сигналов тока и напряжения от стадии планирования до стадии проектирования энергетических и промышленных установок, что позволит не только поддерживать сети и оборудование в оптимальных условиях эксплуатации, но и предвидеть потенциальные проблемы с интеграцией, модернизацией нелинейных нагрузок, а также технических средств для нивелирования перетоков реактивной мощности и/или фильтров гармоник.

Гармоники тока и напряжения в электротехнике

Качество поступающей электроэнергии обеспечивает правильную работу электроприборов, гарантирует их надёжность и долговечность. В быту и на производстве при использовании переменного тока предполагается, что он представляет собой идеальный синусоидальный сигнал. На практике это не соответствует действительности.

В реальной жизни форма сигналов является неправильной, имеющей искажения и провалы. Одной из распространённых причин такой проблемы считается воздействие паразитных токов. Знание того, что такое гармоники, понимание физики процесса поможет уменьшить их негативный эффект.

Что такое гармоники

Расскажем, что представляют собой гармоники в электрических сетях для чайников. Теоретически считается, что графики переменного напряжения и тока должны иметь правильную форму. Однако в сети присутствуют сигналы с частотой, кратной основной. Обычно это связано с тем оборудованием, которое потребляет электроэнергию из сети. На самом деле сеть не существует изолированно, а испытывает влияние со стороны подключённых к ней нелинейных нагрузок.

Сигнал, получаемый потребителями, представляет собой сумму не только основного сигнала, но и нескольких гармоник. Уровень их влияния характеризуется коэффициентом искажений. Учитывать влияние нелинейных нагрузок нужно обязательно, но для этого надо понимать природу гармоник и знать, как можно снизить их искажающее воздействие. Гармоники тока и напряжения в электросетях могут обладать разрушительным действием для электрооборудования. Токи высших гармоник способствуют возникновению паразитических импульсов.

С физической точки зрения гармоники представляют собой колебания, кратные частоте основного сигнала. Как известно, в электросетях применяется частота 50 Гц. Таким образом, частота 1-й гармоники составит 50 Гц, 2-й – 100 Гц, 3-й – 150 Гц и так далее. Как видим, третья гармоника имеет период втрое меньший, чем основная гармоника. Каждая из этих характеристик влияет на форму графика напряжения в том виде, в котором оно поступает к потребителям.

Иногда рассматривается нулевая гармоника, представляющая собой среднее значение синусоидального сигнала за определённый период. Наличие паразитных токов меняет его вид до неузнаваемости. Например, высшие гармоники в трехфазных цепях способны разбалансировать нулевую фазу. Высшими принято называть те, частота которых превышает 50 Гц. Бывают также нечетные и четные гармоники, что определяется их номером. Например, вторая является четной.

На изображении выше показаны гармоники тока и напряжения. Верхний график отображает их сумму. Фактически гармоника напряжения в электротехнике – это паразитическая ЭДС, которая попадает в сеть. Из-за своего нестандартного поведения она остаётся невостребованной электроприборами и играет негативную роль.

Фактически паразитные токи генерируются потребителями. Во время работы электроприборов происходят процессы, которые вносят активный вклад в формирование гармоник. Большинство устройств способно оказывать такое влияние на электросеть. В некоторых случаях гармонические составляющие электрического напряжения приводят лишь к краткосрочным искажениям.

Величину гармоники можно определить по формуле:

Эту формулу также используют для определения величины частоты и фазы какой-либо гармонической составляющей электросети или любого синусоидального сигнала.

Классификация

Существуют различные виды гармоник. Их делят не только по номеру, но и другим признакам:

• Если учитывать путь распространения, то они могут называться кондуктивными или пространственными.
• Гармоники следует разделять по продолжительности, так как некоторые являются импульсными, а воздействие других может иметь длительный характер.
• Иногда учитывают степень прогнозируемости возникновения. Оно может быть случайным или иметь систематический характер.

Длительные изменения обычно связаны с регулярной циклической нагрузкой сети, если речь при этом идёт о мощных потребителях.

Источники возникновения гармоник

Обычно воздействие на электросеть создаётся мощными нелинейными нагрузками оборудования, подключенного к ней. Источниками чаще всего являются:

• Сварочные аппараты и другие устройства, которые формируют электрическую дугу.
• Разновидности энергосберегающих ламп, в число которых, например, входят газоразрядные, дуговые и люминесцентные.
• Среди бытовых приборов наиболее сильным влиянием обладают микроволновые печи.
• Офисная техника.
• Насыщаемые приборы, к которым, в частности, относятся двигатели, трансформаторы, использующие магнитопривод.
• Различное силовое оборудование, в том числе приводы постоянного и переменного тока, печи, использующие высокое напряжение для плавки металла, преобразователи частоты.

Влияние нелинейных нагрузок считается существенным при условии, что суммарная мощность составляет не менее 20% от нагрузочной способности электрической сети. Если указанное условие выполняется, необходимо принимать специальные меры для борьбы с искажениями.

Наносимый вред

На первый взгляд трудно определить, насколько гармоники влияют на работу электроприборов. Чтобы понимать, в чём состоит наносимый им вред, нужно принять во внимание следующее:

• Гармоники фактически создают паразитные токи, которые негативно сказываются на оборудовании. В качестве примера можно рассмотреть то, как они влияют на электродвигатели. В этом случае паразитные токи могут стать причиной шума и вибраций, которые разрушительно действуют на технику. В сервооборудовании влияние гармоник может приводить к ложным срабатываниям.
• В возникновении коротких замыканий также виноваты гармоники.
• Наличие гармоник приводит к перегрузке электросети, из-за которой приборы получают ток или напряжение, выше тех с которыми они могут работать.
• Повышается интенсивность использования оборудования, что приводит к его преждевременному износу.
• Происходит преждевременный износ изоляции проводов, что часто становится причиной аварийной ситуации. При этом происходит нагрев оболочки, а также возникают в ней нежелательные химические процессы.
• Высокое напряжение и паразитные токи – одна из причин неисправности электронной техники.
• Появляются помехи в работе при произведении записи звука или при передаче данных.
• В трехфазных сетях возникает перегрузка нулевого провода, что снижает стабильность их работы.

Чтобы исключить негативное влияние, необходимо принимать специальные защитные меры. Они снизят искажения и обеспечат стабильную работу электроприборов.

В качестве примера опасной ситуации, связанной с наличием паразитных токов, можно привести разбалансировку нулевого провода в трехфазном питании. Обычно нагрузки на каждую фазу являются симметричными. Они компенсируют друг друга и позволяют нулевому проводу выполнять свои функции.

Когда к одной из фаз подключается мощный потребитель, это приводит к возникновению гармоник. При этом не только меняется поведение конкретной фазы, но и соотношение других фаз, что способствует появлению разбалансировки. Поскольку симметрия нарушается, то взаимная компенсация фаз искажается и по нулевому проводу начинает идти ток.

Вследствие этого в бытовых розетках вместо 220 Вольт может быть значительно большая величина, что приводит к нарушению работы электроприборов, возникновению коротких замыканий или к другим последствиям.

Если не обращать должного внимания на описываемую здесь проблему, то это может привести к следующим последствиям:

• Проведение внепланового дорогостоящего ремонта.
• Поломка оборудования, которая потребует его замены.
• Ложное срабатывание при осуществлении автоматических процессов приведёт к получению брака.
• Короткое замыкание может стать причиной возгорания и возникновения пожара.

Поэтому важно своевременно распознать проблему и принять меры для её устранения.

Как защититься от воздействия гармоник

Существуют стандартные схемы для защиты от так называемых паразитических гармоник. Их эффективность доказана на практике. Наиболее популярными являются следующие:

• Использование резистора для нейтрализации паразитного тока. При его применении излишняя электрическая энергия будет преобразована в тепловую.
• Использование специальных фильтров, которые подавляют возникшие в сети паразитические гармоники.

Чтобы применить защитные меры, сначала необходимо провести диагностику сети. Для этой цели применяются приборы проверки качества электроэнергии. Они обычно могут одновременно контролировать не менее 10 её характеристик. В частности, нужно определить полную мощность, а также активную, реактивную и гармоники, которые реально присутствуют в сети и их силу. Следует обратить внимание на наличие провалов или перенапряжений в электросети.

LC-фильтры

Наиболее часто используют защитные схемы, которые называют LC-фильтрами. Они состоят из линейного дросселя и конденсатора.

Катушка имеет индуктивное сопротивление, которое тормозит резкие изменения силы тока, создавая заряд, противоположный по направлению. Конденсатор сглаживает колебания напряжения. При его увеличении пластины накапливают заряд. Когда напряжение снижается, они отдают его. Таким образом замедляются перепады напряжения. Это уменьшает гармоническое искажение и, следовательно, эффект негативного воздействия.

При точном подборе параметров катушки и конденсатора фильтр будет полностью компенсировать воздействие одной конкретной гармоники и отчасти препятствовать влиянию других. Для максимальной эффективности необходимо использовать отдельные фильтры для каждой существующей в сети гармоники.

Ещё одна сложность состоит в том, что некоторые гармоники усиливают действие других. Например, гашение пятой усилит седьмую. Полный фильтр, созданный с использованием указанной схемы, должен учитывать их взаимное влияние.

Шунтирующий фильтр

Схема шунтирующего фильтра строится на использовании последовательного соединения катушки и конденсатора.

Чтобы подобрать наиболее эффективный способ защиты, необходимо детально проанализировать гармонические составляющие, нагрузку, коэффициенты амплитуды и мощности для конкретной сети.

Коэффициент мощности и гармоники в электросети

В прошлой статье я рассказал при исследование качества электроэнергии при помощи анализатора HIOKI. Там я обещал продолжить рассказ и поделиться своими знаниями по таким понятиям, как коэффициент мощности (известный в народе как cos φ) и гармоники питающего напряжения.

Кроме того, расскажу, что такое PF, DPF, и докажу, что косинус и синус – две большие разницы! 🙂

Для примера разберём, как обстоят дела с косинусом и гармониками на предприятии, которое мы обследовали совместно с “ИК Энергопартнер”.

Косинус угла в электротехнике

Кто хочет, почитайте про cos φ в Википедии, а я расскажу своими словами.

Итак, что такое косинус в электротехнике? Дело в том, что есть такое явление, как сдвиг фаз между током и напряжением. Он происходит по разным причинам, и иногда важно знать о его величине. Сдвиг фаз можно измерить в градусах, от 0 до 360.

На практике степень реактивности (без указания индуктивного либо емкостного характера) выражают не в градусах, а в функции косинуса, и называют коэффициентом мощности:

• P – активная мощность, которая тратится на совершение полезной работы,
• S – полная мощность.

Полная мощность является геометрической суммой активной Р и реактивной Q мощностей, поэтому формулу коэффициента мощности можно записать в следующем виде:

Формула коэффициента мощности через активную и реактивную мощности

СамЭлектрик.ру в социальных сетях:

Подписывайтесь! Там тоже интересно!

На самом деле, всё не так просто, подробности ниже.

Легендарный Алекс Жук очень толково рассказал, что такое реактивная мощность, и всё по этой теме:

В видео подробно и доступно изложена вся теория по теме.

Размерности. Что в чём измеряется

Активная мощность Р ⇒ Вт (то, что измеряет домашний счетчик),

Реактивная мощность Q ⇒ ВАР (Вольт · Ампер Реактивный),

Полная мощность S ⇒ ВА (Вольт · Ампер).

Кстати, в стабилизаторах и генераторах мощность указана в ВА. Так больше. Маркетологи знают лучше.

Также маркетологи знают, что на потребителях (например, на двигателях) мощность лучше указывать в Вт. Так меньше.

Минусы и плюсы наличия реактивной составляющей

При питании нагрузки, имеющей только активный характер, сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю. Этот случай можно назвать идеальным, при нем можно питающие сети используются полностью, поскольку нет потерь на бесполезную реактивную составляющую.

Реактивная составляющая не так бесполезна. Она формирует электромагнитное поле, нужное для адекватной работы реактивной нагрузки.

В реальной жизни нагрузка, как правило, имеет индуктивный характер (ток отстает от напряжения), и является активно-реактивной. Поэтому всегда, когда говорят о сдвиге фаз и о косинусе, имеют ввиду индуктивную нагрузку.

Уточню: речь идет о промышленной сфере, где эта проблема стоит особенно остро. В быту нагрузка, как правило, имеет емкостной характер. Но учитывая мизерные мощности и высокий cos φ, реактивные мощности в быту не используют.

Основными источниками реактивной составляющей электроэнергии являются трансформаторы и асинхронные электродвигатели.

Чисто реактивная нагрузка бывает только в учебнике. Реально за счет потерь всегда присутствует и активная составляющая тоже.

Реактивная составляющая мощности питания является негативным фактором, поскольку:

• Возникают дополнительные потери в линиях передачи электроэнергии,
• Снижается пропускная способность линий электропередачи,
• Происходит падение напряжения на линиях передачи из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети,
• Происходит дополнительный нагрев и износ систем распределения и трансформации электроэнергии,
• Возможно появление резонансных эффектов на частотах гармоник, что может вызвать перегрев питающих сетей.

По приведенным причинам необходимо понижать долю реактивной мощности в сети (повышать косинус) – это выгодно и энергоснабжающим организациям, и потребителям с распределенными сетями.

Пример: Для передачи определенной мощности нужен ток 100 А при cos φ = 1. Однако, при cos φ = 0,6 для обеспечения той же мощности нужно будет передать ток 166 А! Соответственно, нужно думать о повышении мощности питающей сети и увеличении сечения проводов…

Реактивная мощность – это часть мощности источника питания, эта мощность была накоплена в магнитном поле, а затем возвращена обратно источнику.

Как компенсируют реактивную составляющую мощности?

Для понижения (компенсации) индуктивного характера реактивной составляющей используют введение емкостной составляющей в нагрузку, которая имеет положительный сдвиг фаз напряжения и тока (ток опережает напряжение). Реализуется это путем подключения параллельно нагрузке конденсаторов необходимой емкости. В результате происходит компенсация, и нагрузка со стороны питающей сети становится активной, с малой долей реактивной составляющей.

Компенсаторная установка на контакторах

Важно, чтобы не происходило перекомпенсации. То есть, даже после компенсации косинус не должен быть выше 0,98 – 0,99, и характер мощности всё равно должен оставаться индуктивным. Ведь компенсация имеет ступенчатый характер (контакторами переключаются трехфазные конденсаторы).

Конденсатор компенсатора реактивной мощности

Однако, для конечного потребителя компенсация реактивной мощности не имеет особого смысла. Польза в её компенсации есть только там, где имеются длинные сети передачи, которые “забиваются” реактивной мощностью, что в итоге снижает их пропускную способность.

Поэтому компенсация реактивной мощности относится к вопросу энергосбережения – она позволяет экономить расход топлива на электростанциях, и выработку бесполезной реактивной энергии, которая в конечном счете преобразуется в тепловую энергию и выбрасывается в атмосферу.

На предприятиях учитывается и активная, и реактивная потребляемые мощности, и при составлении договора оговаривается минимальное значение коэффициента мощности, которое нужно обеспечить. Если косинус упал – включается повышающий коэффициент при оплате.

Отрицательный косинус

Из школьного курса геометрии известно, что cos (φ) = cos (-φ), то есть косинус любого угла будет положительной величиной. Но как же отличить индуктивную нагрузку от емкостной? Всё просто – электрики всех стран условились, что при емкостной нагрузке перед знаком косинуса ставится минус!

В практике пользования прибором анализа напряжения HIOKI у меня были случаи, когда значение косинуса было отрицательным. В последствии выяснилось, что была неправильно включена компенсаторная установка и произошла перекомпенсация. То есть cos φ < 0, что и должно быть, но конденсаторные установки используются неправильно, и возможны ситуации, когда напряжение в сети из-за этого может подняться.

Коэффициент реактивной мощности Тангенс φ

Часто более удобным является коэффициент реактивной мощности tg φ, который показывает отношение реактивной мощности к активной. Понятно, что при tg φ = 0 достигается идеал cos φ = 1.

Гармоники питающего напряжения

Кроме образования реактивной мощности, на промышленных предприятиях существует такой негативный фактор, как выработка гармоник напряжения питающей сети.

Гармоники – это та часть спектра питающего напряжения, которая отличается частоты промышленной сети 50 Гц. Как правило, гармоники образуются на частотах, кратных основной. Таким образом, 1-я (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, 2-я – 100, 3-я – 150, и так далее.

Для измерения гармоник напряжения существует формула:

Гармоники напряжения – формула расчета

• Кu – коэффициент нелинейных искажений, или THD (Total Harmonic Distortion),
• U(1), U(2), и так далее – напряжение соответствующей гармоники, вплоть до 40-й.

Однако, эта формула не удобна на практике, поскольку не дает представления об уровне каждой гармонике в отдельности. Поэтому для практических целей используют формулу:

Коэффициент каждой гармоники напряжения

• Кu(n) – коэффициент n-й гармонической составляющей спектра напряжения,
• U(n) – напряжение n-й гармоники,
• U(1) – напряжение 1-й гармоники

Таким образом, при измерении мы получим детальное распределение гармоник в спектре питающего напряжения, что позволит провести детальный анализ полученной информации и сделать правильные выводы.

Есть ещё гармоники тока, но там всё гораздо хуже…

На основе увеличения гармоник тока построен прибор для обмана счетчика. Кстати, там Автор прибора довольно убедительно доказал пользу своего изобретения)

PF или DPF?

Здесь надо сделать оговорку. Всё, что я говорил выше про косинус – относится к линейной нагрузке. Это означает, что напряжение и ток, хоть и гуляют по фазе, имеют форму синуса.

Но в реальном мире вся нагрузка не только не активная, но и не линейная. Значит, ток через неё имеет хоть и периодическую, но далеко не синусоидальную форму. Искаженная синусоида означает, что кроме первой гармоники имеются и другие, вплоть до бесконечности.

Вот как обстоят иногда дела:

Формы напряжения и тока при нелинейной нагрузке

Гармоники напряжения, тока и мощности

Обычно, когда нагрузка симметричная (трехфазные потребители), за счёт принципов работы все гармоники, кратные 2 и 3, почти отсутствуют. В итоге остаются в основном 5, 7, 11, 13 гармоники, имеющие частоты соответственно частоты 250, 350, 550, 650 Гц.

Поэтому надо понимать, что та теория, что я расписал выше – для идеальных условий (без нелинейных искажений), которых в реале не бывает. Либо, если пренебречь высшими гармониками тока, и взять только первую (50 Гц), что обычно и происходит в жизни.

И если подходить к терминологии строго, то cos φ и PF (Power Factor) – это не одно и то же. PF учитывает также все гармоники напряжения и тока. И с учетом нелинейности реальный PF будет меньше.

Для учета коэффициента мощности в приборе HIOKI есть параметр DPF (Displacement Power Factor, смещённый коэффициент мощности), который учитывает только первую гармонику и равен cos φ.

Коэффициенты мощности полный PF и смещённый DPF (для чистого синуса)

В итоге можно сказать, что справедливо выражение:

cos φ = DPF ≤ PF

Измерения на предприятии

При индуктивном характере нагрузки, который наблюдается на практике в большинстве случаев, ток отстает от напряжения (отрицательный сдвиг фаз), что видно на экране прибора HIOKI 3197 (табличные данные) при проведении измерений:

В данном случае видно, что ток отстает от напряжения примерно на 26°.

Из вышеприведенного измерения видно, что при угле отставания тока (сдвиге фаз) 26° cos φ = 0,898. Данный расчет подтверждается измеренным значением.

Измерение проводилось в течение около двух часов, за это время оборудование (нагрузка) циклически включалось и выключалось. За всё время измерения коэффициент нелинейных искажений напряжения THD не превысил 1,3% по каждой из фаз.

Результаты измерений приведены ниже:

Измеренные гармоники напряжения, тока и мощности

Режим мультиметра – на экране разные параметры

Для проверки проведём расчет по выше приведенной формуле для самых интенсивных гармоник (5, 7, 11):

Расчет гармоник напряжения

Как видно, остальные гармоники имеют пренебрежимо малый вес.

Временной график THD:

График THD (коэфта нелинейных искажений)

Временной график cosϕ:

Анализ полученных результатов обследования

На предприятии нужно было выбрать компенсирующую установку для увеличения коэффициента мощности. Но перед её покупкой было решено обратить внимание на гармоники.

Были реальные случаи, когда из-за высокого уровня гармоник напряжения взрывались и загорались конденсаторные установки

В ГОСТ 13109-97 указан допустимый уровень гармонических искажений по напряжению, равный 8%. По проведенным измерениям, этот уровень не превышен. Однако, при увеличении мощности в 5 раз можно ожидать увеличение процента гармоник (THD) в то же количество раз. Следовательно, возможно увеличение коэффициента гармоник с 2,3 % до 11,5 %.

Однако, по рекомендациям производителей для безопасной эксплуатации батарей конденсаторов установок стандартного исполнения уровень THD не должен превышать 2 %. При этом уровень гармоник тока не учитывается и ГОСТом не регламентируется.

Следовательно, необходимо применять совместно с конденсаторными установками фильтры высших частот (фильтрокомпенсирующие устройства).

Рекомендации по уменьшению гармонических составляющих питающего напряжения

Для уменьшения гармоник напряжение рекомендуется сделать следующее:

1. На все преобразователи частоты мощностью более 10 кВт в обязательном порядке установить линейные дроссели переменного тока. Лучшим вариантом будет выбор дросселей с высоким импедансом (3-4 %), которые уменьшат уровень гармоник на 15-20%. Кроме того, установка дросселей улучшит надежность и отказоустойчивость преобразователей.
2. На преобразователи частоты мощностью более 35 кВт, кроме дросселей переменного тока, установить дроссели постоянного тока для питания звена постоянного тока. Это дополнительно уменьшит выбросы гармоник в питающую сеть на 5-10%.
3. Применить пассивные LC-фильтры на вводе питания преобразователей частоты и других нелинейных нагрузок.

Для выполнения приведенных рекомендаций желательно обратиться к инструкциям производителей и специалистам.

Креме того, рекомендуется проверить состояние питающих проводов, кабелей, клемм, переходных сопротивлений силовых соединений фазных и нейтральных проводов, качество соединений заземления корпусов электроприборов и т.д. В результате обследования выявлены преобразователи с отключенным заземлением.

Рекомендации по выбору компенсирующих устройств реактивной мощности

Мощность компенсирующего устройства выбирается исходя из мощности нагрузки, а также существующего и желаемого коэффициентов мощности.

Для расчета параметров можно воспользоваться следующей методикой.

Определить из таблицы коэффициент К, который считается по формулам на основе углов фаз некомпенсированного и компенсированного питания:

Таблица для определения коэффициента выбора конденсаторов

Например, текущий cosϕ = 0,7, желаемый cosϕ = 0,96. Тогда К = 0,73.

Как я уже говорил, не рекомендуется компенсировать реактивную мощность полностью (до cosϕ = 1), так как при этом возможна перекомпенсация (за счет переменной величины активной мощности нагрузки и других случайных факторов)

Этот тот самый случай, когда к идеалу стремиться не нужно)

Далее, необходимую емкостную мощность конденсаторных батарей определяют по формуле: Qc = КP (ВАр).

Например, в нашем случае, при мощности 1000 кВт полная мощность конденсаторной батареи будет 730 кВАр.

При выборе конденсаторной батареи она должна обладать следующими параметрами (не хуже):

• Перегрузка по току – 1,3 I ном
• Перегрузка по напряжению – 1,1 U ном
• Мощность минимальной ступени – не более 15 кВАр
• Допустимое содержание гармоник напряжения – не менее 20 %
• Частота расстройки фильтра – не более 190 Гц (срез начиная с 4-й гармоники)
• Регулятор реактивной мощности – электронный, с измерением и выдачей всех необходимых параметров
• Коммутация – контакторы, поскольку изменение активной мощности не быстрое

(рекомендации даны поставщиком КУ)

На этом всё. Если есть желание что-то добавить, или поправить меня – как всегда, рад вашим комментариям!

Что такое гармоника в электротехнике

Гармоники – это длительно существующие в энергосистеме синусоидальные волны, которые суммируются с основной частотой 50 Гц, искажая исходную форму сигнала всплесками, провалами и постоянным присутствием шумов. Номер гармоники означает во сколько раз её частота выше основной частоты. Например, 3-я гармоника обладает частотой 150 Гц, а 25-я – частотой 1250 Гц. Любая форма кривой тока или напряжения, насколько сложной бы она не была, всегда может быть разложена только на составляющие её гармонические синусоиды с частотами, кратными 50 Гц.

Гармоники: от чего и почему?

Основными источниками гармоник являются нелинейные нагрузки. Это означает, что полное сопротивление нелинейных нагрузок изменяется в зависимости от величины потребляемого тока, отклоняя тем самым его форму от синусоидальной. Наличие гармоник в потребляемом нагрузкой токе обуславливает возникновение гармоник в напряжении для других нагрузок, подключенных к этому же источнику питания. Ток, потребляемый нелинейными нагрузками, протекает через все сопротивления (проводов, кабелей, переходные в местах контактов, обмоток трансформаторов) питающей сети, вносит свой вклад в падения напряжений на этих сопротивлениях. Характер падения этих напряжений также является нелинейным, т. к. полностью повторяет форму нелинейного тока на простых резистивных нагрузках. Именно из-за такого рода падений напряжений, формы кривых напряжений для других потребителей становятся искаженными. В качестве примера, на рис. 1 представлена однолинейная схема участка распределенной сети с нелинейной нагрузкой Z_НЛ, вызывающей протекание нелинейного тока I_НЛ, который, в свою очередь, вносит вклад в падения напряжений для различных точек подключения других потребителей. Гармонические искажения напряжений, вызванные током I_НЛ, будут сильно отличаться для чувствительных к качеству электропитания потребителей Z_ЧП1, Z_ЧП2, Z_ЧП3, получающих питание соответственно от точек подключения 1, 2 и 3. Гармонические искажения в форме кривой напряжения будут наибольшими для точки подключения 1, поскольку падение напряжения от тока I_НЛ будет происходить на сопротивлениях вторичной обмотки трансформатора T₁ и проводников, а также большем количестве контактных соединений. Для точки подключения 2 гармонические искажения напряжения будут заметно ниже, т. к. падения напряжений от тока I_НЛ будут в основном на вторичной обмотке трансформатора T₁. Точка подключения 3 будет практически вне влияния гармоник от нагрузки Z_НЛ.

Рис. 1. Однолинейная схема участка распределенной сети с нелинейной нагрузкой.

Также причинами возникновения гармоник в энергосистеме могут служить возникающие в ней переходные процессы. На практике это бывает в случаях, когда осуществляются частые коммутации ощутимого по мощности электрооборудования или прямые пуски асинхронных электродвигателей.

Наибольший вклад в гармонический состав токов и напряжений вносят неуправляемые выпрямители, которые обычно являются частью блоков питания бытовых электроприборов или промышленного оборудования.

Наличие следующих типов электрооборудования позволяет заранее предсказать присутствие гармоник в системе электроснабжения, к которой они подключены (т. к. их нагрузки нелинейны):

• электроприводы с регулируемой скоростью вращения;
• источники бесперебойного питания;
• компьютеры;
• печатающие и фотокопирующие машины;
• телевизоры;
• микроволновые печи;
• люминесцентные лампы;
• газоразрядные лампы;
• индукционные варочные поверхности;
• сварочное оборудование;
• диммеры;
• зарядные устройства;
• трансформаторы, работающие в зоне магнитного насыщения.

Особенности, свойства и последствия гармоник

Если нагрузки из вышеуказанного перечня потребляют значительную долю мощности, то возникающие от них гармоники в системе электроснабжения могут приводить к следующим негативным последствиям:

• более низкому коэффициенту мощности при той же полезной мощности (увеличению протекающего тока);
• помехам для оборудования, чувствительного к форме кривой напряжения;
• увеличенному току и, как следствие, чрезмерному нагреву нейтральных проводников;
• чрезмерному нагреву асинхронных двигателей;
• повышенному акустическому шуму от трансформаторов, шин, распределительных устройств и т. д.;
• ненормальному нагреву трансформаторов и сопутствующего оборудования;
• повреждению конденсаторов устройств компенсации коэффициента мощности;
• снижению срока службы люминесцентных ламп;
• ложным срабатываниям автоматических выключателей и предохранителей;
• необходимости увеличения сечений проводников;
• неверным показаниям контрольно-измерительных приборов;
• повреждениям электрооборудования, чувствительного к форме питающего напряжения;
• асимметрии фазных напряжений;
• ускорению процессов старения изоляции проводников.

Важным свойством гармоник является то, что они, как правило, накапливаются в энергосистеме. Вклад различных источников гармоник в некоторой степени суммируется. Этим гармоники сильно отличаются от эффектов высокочастотной электромагнитной совместимости. Высокочастотные помехи, протекая через образовавшиеся паразитные контуры, наибольшее влияние оказывают на линии данных и измерительные цепи. Они имеют тенденцию быть локализованными и незначительно кумулятивными. Важно понимать, что, за редкими исключениями, если гармоники вызывают помехи, то это происходит через прямое электрическое соединение, а не через паразитные пути. Экранирование проводников очень редко является средством устранения гармонических проблем.

Еще одной важной особенностью гармоник является то, что в смеси однофазных и трехфазных нагрузок некоторые из важных гармоник, таких как пятая и седьмая, не совпадают по фазе и фактически взаимно компенсируются. Иногда эта информация может быть очень полезной, даже если нет уверенности в том, что нагрузки будут работать одновременно. Например, установка трехфазных частотно-регулируемых приводов, безусловно, не ухудшит пятую и седьмую гармоники и может даже их уменьшить в офисном здании, которое близко к своему пределу для пятой и седьмой гармоник из-за большого количества однофазных компьютерных нагрузок.

Во входных цепях широкого спектра однофазного электрооборудования, которое характеризуется нелинейными нагрузками, используются неуправляемые выпрямители (диодные мосты). Всё это оборудование вызывает аналогичные гармонические искажения в кривых потребляемого тока. Как уже упоминалось ранее, эффект от гармоник накапливается от всех потребителей с нелинейными характеристиками, подключенных к одной и той же энергосистеме. В этом случае для оценки общего тока гармоник можно прибегнуть к процедуре прямого суммирования токов от всех однофазных устройств с выпрямителями.

На рис. 2 показана форма кривой напряжения, когда распределительный трансформатор (или вся энергосистема) нагружен на 50% своей мощности однофазными выпрямителями. Нелинейные нагрузки в этом случае вызывают характерный эффект плоской вершины.

Рис. 2. Форма кривой напряжения питания при однофазной выпрямительной нагрузке, составляющей 50% мощности.

Несмотря на то, что форма кривой выглядит существенно искаженной, указанное гармоническое влияние не отразится на работоспособности большинства современных электронных устройств, запитанных таким напряжением. Однако, содержание гармоник может вызвать перенапряжение на компонентах электроприборов, особенно на конденсаторах, подключенных непосредственно к источнику питания. Также это приводит к токовым перегрузкам нейтральных проводников, вызванным суммированием гармоник тока, кратных трем. Подобная проблема на практике чаще всего встречается в зданиях с высокой концентрацией компьютеров и аналогичного IT-оборудования.

Измеряем и анализируем показатели

Однако, далеко не всегда характер гармонических искажений от различных нагрузок с нелинейными характеристиками однообразен. Очень часто в энергосистеме встречается большой спектр различных гармоник. Чтобы оценить суммарный эффект влияния гармоник на энергосистему, необходимо прибегнуть к сложным математическим вычислениям, построенным на основе теории рядов Фурье. Для количественной оценки влияния гармоник от отдельно взятой нелинейной нагрузки, суммарного результирующего влияния на энергосистему или её участка, пользуются коэффициентом нелинейных искажений Total Harmonic Distortion (THD). Коэффициент нелинейных искажений равен отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала. Коэффициент THD выражен в процентах. Чем большее значение принимает THD, тем существеннее негативное влияние гармоник на энергосистему. Признанный на международном уровне максимально допустимый THD составляет 8%. Следует отметить, что на этапе проектирования значение максимально допустимого уровня THD обычно принимают равным 5%, оставляя необходимый запас при непосредственной реализации проекта.

На практике не рекомендуется допускать превышения 8-процентного уровня коэффициента THD, т. к. большинство выпускаемого оборудования рассчитано только до этого уровня. Вычисление коэффициента THD может быть очень трудоемким процессом, требующим значительного набора достоверных данных, как самих нелинейных нагрузок, так и параметров энергосистемы. Чтобы проанализировать реальную энергосистему и оценить предполагаемый в ней коэффициент THD, необходимо объединить данные по гармоническому составу всех нелинейных нагрузок. Все известные гармонические данные неуправляемых выпрямителей и других искажающих нагрузок должны быть объединены, чтобы предсказать общий ток. Только подробный и точный анализ позволяет получить достоверный результат. Важно понимать, что каждая гармоника является векторной величиной, которая может быть добавлена к другим только путем сложения векторов.

Лишь для неуправляемых выпрямителей фазовые углы доминирующих гармоник будут одинаковыми, что позволяет осуществить несложный расчет с достаточной точностью. Очень часто фазовый угол бывает неизвестен или он зависит от условий и режима эксплуатации электрооборудования. На практике обычно не прибегают к столь сложным теоретическим расчетам. В случаях, когда коэффициент THD все же требуется определить (присутствие гармоник в энергосистеме может негативно сказываться на работоспособности других потребителей), его измеряют соответствующими приборами. Например, очень удобно получить реальные значения коэффициентов THD для токов и напряжений по фазам в энергосистеме многофункциональными измерительными приборами EKF: SMH или G33H. Возможности этих измерительных приборов не ограничены лишь указанными выше параметрами, они позволяют получить детальную информацию по всем основным характеристиками качества электроснабжения.

Как снизить влияние гармоник?

Учитывая степень распространения оборудования с нелинейными характеристиками, можно с уверенностью утверждать, что в той или иной степени гармоники присутствуют в любой электросети. Чаще всего их негативное влияние на других потребителей электроэнергии ограничено и не требует дополнительных мер по снижению этого влияния. Однако, если суммарная доля нелинейных нагрузок превышает 40% мощности энергосистемы, могут потребоваться специальные мероприятия, направленные на снижение негативного влияния гармоник на других потребителей. К аналогичным мерам стоит также прибегать, когда измеренное значение коэффициента THD превышает 8% или прослеживаются очевидные негативные последствия гармоник, указанные ранее.

В случае, когда гармоники становятся проблемой для чувствительного к ним оборудования можно воспользоваться методами, нивелирующими это негативное влияние.

Часто решением может стать выбор правильной точки подключения для нелинейных нагрузок. Например, они могут быть подключены к основным шинам, а не к длинным кабелям или проводам, используемым также другим оборудованием (это характерно точке подключения 2 на рис. 1).

Очень действенный метод борьбы с гармониками – применение гальванически развязывающих трансформаторов для нелинейных нагрузок или, наоборот, для чувствительного к гармоникам оборудования (например, точка подключения 3 на рис. 1).

Меры, снижающие переходные сопротивления (улучшение качества соединений) и сопротивления проводников (увеличение сечений), через которые получают питание нелинейные нагрузки, бывают достаточно эффективными на практике.

Применение трехфазных преобразователей частоты, вместо однофазных, где это возможно, снижает токи гармоник примерно на 70% при одинаковой заданной полезной мощности, а также не создает дополнительный ток в нейтральном проводнике.

Для ряда нелинейных нагрузок эффективной мерой снижения гармоник может служить установка сглаживающих реакторов (дополнительной индуктивности) на их входе.

Следует также учитывать, что чем выше пульсность схемы выпрямления, тем меньшее гармоническое влияние оказывает на энергосистему такой выпрямитель.

Применение электрооборудования с активными выпрямителями, вместо неуправляемых, позволяет значительно снизить гармоники в энергосистеме.

В особенно сложных случаях, когда энергосистема сильно перегружена гармониками, могут потребоваться дорогостоящие фильтрокомпенсирующие устройства. Их применение можно рекомендовать, если только не удаётся решить проблемы, вызванные гармониками, другими более доступными способами. К тому же следует учитывать, что применение фильтрокомпенсирующих устройств требует очень тщательного подбора и настройки, а в некоторых случаях может приводить к потенциально опасным условиям возникновения резонансных явлений в сети.

Александр Панов, Руководитель технической дирекции EKF, к.т.н.

Использованная литература:

1. Drives and Controls Handbook, W. Drury, The Institution of Electrical Engineers, UK, 2001

2. AC-DC Power System Analysis, J. Arillaga and B. Smith, University of Canterbury, New Zealand,1998

3. Power system harmonics. Part 1: Harmonic sources, R. Yacamini, Dept. of Eng., Aberdeen University, UK, 1994

4. Григорьев О.А., Петухов В.С., Меркулов А.В. Магнитное поле промышленной частоты в условиях непроизводственного воздействия: источники и методология инструментального контроля // Ежегодник Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений: Сб. тр. – М.: Издательство РУДН, 2003. – с. 85-105.