Введение в гармоники:Часть 1

Колин Харгис, главный инженер Control Techniques, предлагает введение в гармоники в этом блоге, состоящем из двух частей. Вторая часть доступна здесь.

Этот блог представляет собой введение в тему гармоник электрической энергии с особым упором на преобразователи частоты с регулируемой скоростью. Он призван объяснить, что они из себя представляют и что они делают, и отличить их от других эффектов электромагнитной совместимости (ЭМС), таких как радиочастотные помехи и электрический «шум».

Для простоты в примерах в основном предполагается частота питания 50 Гц. Если вы работаете в районе с частотой 60 Гц, вам потребуется соответствующим образом масштабировать частоты.

Знакомство с гармониками?

Гармоника периодической функции имеет частоту, кратную частоте этой функции (которая является основной). В электроэнергетике эта идея используется в первую очередь для понимания влияния нелинейных силовых нагрузок, когда источник напряжения синусоидальный, а ток искажен, хотя и с тем же периодом. Используя концепцию ряда Фурье, мы можем представить искаженный периодический сигнал как сумму ряда гармоник.

Например, простой однофазный мостовой выпрямитель потребляет ток, который представляет собой серию коротких импульсов на пиках напряжения, как показано на рисунке 1;

Рис. 1. Форма кривой тока для простого однофазного мостового выпрямителя

Ток можно разложить на составляющие его частоты. Он состоит из ряда гармоник нечетного порядка, как показано на рисунке 2;

Рисунок 2:Частотный анализ тока на рисунке 1

Преимущество этого анализа заключается в том, что поведение электрических компонентов легче всего понять и определить с точки зрения конкретных синусоидальных частот.

В данном случае при частоте сети 50 Гц видно, что гармонические токи до порядков около 30, т.е. 1500 Гц, весьма значительны. Кроме того, они быстро уменьшаются. Низшие гармоники порядков 3, 5, 7 и 9 действительно высоки по амплитуде и ненамного меньше основной (50 Гц).

Если отрицательный и положительный полупериоды имеют одинаковую форму, то присутствуют только нечетные гармоники. В трехфазных силовых цепях тройные гармоники (3, 6, 9, 12 и т. д.) также отсутствуют, поскольку они синфазны, а синфазные токи блокируются в трехпроводной цепи.

Строгое определение и рабочее определение гармоник. Интергармоники.

Истинная гармоника может иметь только частоту, кратную основной частоте. Большинство простых нелинейных устройств, таких как выпрямители и магнитные компоненты с железным сердечником, генерируют настоящие гармонические токи.

В современных силовых электронных схемах, использующих активную коммутацию, которая может быть не синхронизирована с частотой сети, могут присутствовать новые частоты, не являющиеся истинными гармониками. Например, как я иллюстрировал в Блогах № 4 и 5 по Регенеративным приводам, инвертор, работающий с частотой коммутации 4 кГц при питании 60 Гц, генерирует токи на частотах 3880 Гц и 4120 Гц, а также многие другие, которые не являются целыми кратными 60 Гц и, следовательно, не являются истинными гармониками. Правильный термин для них - Интергармоники. . Они по-прежнему являются нежелательными частотами, и некоторые из их эффектов такие же, как и для гармоник, поэтому в общем обсуждении их можно называть просто «гармониками». Это может вызвать путаницу, поэтому лучше уточнить, говорим ли мы об истинных гармониках или о всевозможных искажениях.

Какой эффект они имеют?

Снова обратимся к рисункам 1 и 2:у нас есть выпрямитель, подключенный к сети. Питание синусоидальное и имеет одну частоту 50 Гц. Выпрямитель генерирует гармонические токи, которые текут в сети. Выпрямитель — это источник тока с гармоническими частотами, которые излучаются обратно в источник питания и распространяются по энергосистеме. Рисунок 3 иллюстрирует это. Гармонический ток излучается нагрузкой и вызывает гармоническое напряжение в импедансе источника питания. Напряжение испытывается другими потребителями питания, подключенными к той же точке общего присоединения (PCC).

Рис. 3. Распространение гармоник в электросети

Гармоники имеют частоты в диапазоне от 100 Гц до примерно 2 500 Гц (обычно мы останавливаемся примерно на уровне порядка 50, но некоторые авторитетные источники рассматривают значение 100 или даже 200. Стандарт измерения гармоник останавливается на частоте 9 кГц). Первый интересный момент заключается в том, что это очень низкие частоты в электромагнитном спектре. Это показано в спектре, показанном на рисунке 4;

Рис. 4. Упрощенный электромагнитный спектр, показывающий положение гармоник мощности

Обычно считается, что «радиочастота» начинается с 9 кГц, и на самом деле существует очень мало радиоприложений ниже 100 кГц из-за сложности генерации полезной электромагнитной волны. Это означает, что гармоники не распространяются в виде волн, а распространяются только за счет проводимости по проводке энергосистемы. Они не вызывают помех из-за паразитной связи, а только проникают в другое оборудование по силовым проводам. Причина, по которой их необходимо учитывать, заключается в том, что они являются кумулятивными, так что один выпрямитель в телевизоре имеет незначительный эффект, но когда миллионы телевизоров работают одновременно, их гармоники имеют одинаковую частоту и фазу, поэтому они складываются в система питания. Общий эффект заключается в искажении синусоидальной формы волны напряжения. На рис. 5 показаны искажения типа «плоская вершина», вызванные выпрямителями;

Рисунок 5:Искажение напряжения, вызванное гармониками выпрямителя

Умеренный уровень гармоник тока в энергосистеме не представляет опасности, но если он станет чрезмерным, могут возникнуть проблемы. Ниже перечислены некоторые из возможных эффектов чрезмерных гармоник в энергосистеме. Все это весьма необычно, но если они случаются, исправить их может быть трудно и дорого.

• Увеличенный нагрев некоторого частотно-чувствительного электрооборудования, особенно:
  • Конденсаторы для коррекции коэффициента мощности
  • Асинхронные двигатели
  • Трансформеры
  • Генераторы (например, небольшие локальные генераторы, такие как резервные источники питания)
• Акустический шум в трансформаторах, шинах и т. д.
• Ошибки в оборудовании, использующем частоту сети для синхронизации (теперь стали редкостью)
• Нежелательное срабатывание систем ИБП, которые реагируют на искажение формы сигнала
• Улавливание шума в аналоговых звуковых системах, например. театр или церковь
• Нежелательное срабатывание реле защиты энергосистемы, приводящее к отключению электроэнергии.

Серьезные трудности с гармониками необычны, за исключением довольно особых случаев. Одним из примеров является судно, имеющее собственный генератор с ограниченной мощностью и большое количество приводов или других выпрямителей. Однако энергетические компании сталкиваются с накоплением гармоник от миллионов работающих небольших приборов, и есть места, где пятая гармоника в сети общего пользования достигает своего предельного значения.

"Шум"

Обратите внимание, что влияние гармоник не включает помехи в электронных схемах, обычно называемые «электрическими шумами», которые обычно приводят к шуму и вибрации в аналоговых приводных системах и/или ошибкам данных в цифровых каналах передачи данных. Причины этого:

• Частота гармоник слишком мала для значительной паразитной связи из-за индукции между соседними электрическими цепями. Большинство электрических помех вызвано гораздо более высокими частотами, которые могут быть связаны электромагнитным образом или из-за паразитной индуктивности заземления.

Гармоники распространяются как последовательные токи только в силовой цепи, т. е. они распространяются в силовых проводниках энергосистемы, а не в соединениях с землей (землей). Высокочастотный «шум» обычно находится в синфазном режиме, т.е. распространяется по проводникам и цепь замыкается землей (землей). См. рисунок 6 для дальнейшего пояснения;

Рис. 6. Последовательный режим (а) и общий режим (б) в однофазной силовой цепи

Гармонические данные:вход и выход, напряжение и ток

Пользователи привода иногда запрашивают гармонические данные для привода. Существует некоторая вероятность путаницы, поскольку они могут относиться к входу или выходу, а также к току или напряжению. В таблице ниже приведены данные, относящиеся к каждому месту.

Иногда запрос выходных данных о гармониках связан с предыдущим опытом пользователя с инверторными приводами предыдущих поколений, которые использовали метод квазиквадрата и содержали гармоники рабочей частоты, отличные от тройного n. При использовании ШИМ гармоники незначительны.

Подытоживая таблицу, можно сказать, что единственными гармоническими данными, которые являются характеристикой конкретной модели привода, являются данные входного тока. Его можно получить у поставщика по запросу.

Во второй части блога о гармониках мы рассмотрим, как измеряются и оцениваются гармоники, как они меняются в зависимости от нагрузки на диск и что можно сделать, если их необходимо уменьшить.