Понимание электрических гармоник: Часть 1 — основы и влияние

Колин Харгис, главный инженер Control Techniques, дает введение в гармоники в этой двухчастной статье. Часть 2 доступна здесь.

Эта статья — введение в тему гармоник электроэнергетики, со специальным упором на инверторные приводы переменной скорости. Она призвана объяснить, что они такое и что делают, в простых терминах, и отличить их от других эффектов ЭМС, таких как радиочастотные помехи и электрический «шум».

Для простоты примеры в основном предполагают частоту сети 50 Гц. Если вы работаете в районе с 60 Гц, вам нужно соответствующим образом масштабировать частоты.

Введение в гармоники?

Гармоника периодической функции имеет частоту, которая является целым кратным частоты этой функции (которая является фундаментальной). В электроэнергетике эта идея используется преимущественно для понимания эффекта нелинейных энергетических нагрузок, где источник напряжения синусоидален, но ток искажен, хотя все еще с тем же периодом. Используя концепцию ряда Фурье, мы можем представить искаженную периодическую форму волны как сумму ряда гармоник.

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

Рисунок 1: Форма тока для простого однфазного мостового выпрямителя

Ток может быть проанализирован на составляющие частоты. Он состоит из серии нечетных гармоник, как показано на рис. 2;

Рисунок 2: Частотный анализ тока на рис. 1

Польза этого анализа в том, что поведение электротехнических компонентов проще понять и определить в терминах конкретных синусоидальных частот.

В этом случае, с частотой сети 50 Гц, видно, что гармонические токи до порядков ~30, т.е. 1500 Гц, довольно значительны. Далее они быстро убывают. Нижние гармоники порядков 3, 5, 7 и 9 действительно высоки по амплитуде и не намного меньше фундаментальной (50 Гц).

Если отрицательные и положительные полупериоды имеют одинаковую форму, присутствуют только нечетные гармоники. В трехфазных цепях тройные гармоники (3, 6, 9, 12 и т.д.) также отсутствуют, потому что они софазны, и софазные токи блокируются в трехпроводной цепи.

Строгое определение и рабочее определение гармоник. Межгармоники.

Истинная гармоника может иметь только частоту, которая является точным целым кратным фундаментальной. Большинство простых нелинейных устройств, таких как выпрямители и железные магнитные компоненты, генерируют истинные гармонические токи.

В современных схемы силовой электроники с активным переключением, которые могут не быть синхронизированы с частотой сети, могут присутствовать новые частоты, которые не являются истинными гармониками. Например, как я иллюстрировал в статьях 4 и 5 о регенеративных приводах, инвертор, работающий с частотой коммутации 4 кГц при сети 60 Гц, генерирует токи на частотах 3880 Гц и 4120 Гц, а также многие другие, которые не являются целыми кратными 60 Гц и поэтому не являются истинными гармониками. Правильный термин для них — Межгармоники. Они всё равно нежелательные частоты, и некоторые их эффекты те же, что и для гармоник, поэтому в общем обсуждении их могут называть просто «гармониками». Это может вызывать путаницу, поэтому лучше четко указывать, говорим ли мы об истинных гармониках или о всех видах искажений.

Какое у них влияние?

Возвращаясь к рис. 1 и 2, у нас есть выпрямитель, подключенный к сети. Сеть синусоидальна и имеет единственную частоту 50 Гц. Выпрямитель генерирует гармонические токи, текущие в сети. Выпрямитель является источником тока на гармонических частотах, которые излучаются обратно в сеть и распространяются по энергосистеме. Рис. 3 иллюстрирует это. Гармонический ток излучается нагрузкой и вызывает гармоническое напряжение в импедансе источника сети. Напряжение испытывается другими потребителями, подключенными к той же точке общей связи (PCC).

Рисунок 3: Распространение гармоник в энергосети

Гармоники имеют частоты от 100 Гц до ~2500 Гц (обычно останавливаются на порядке ~50, но некоторые органы смотрят до 100 или даже 200. Стандарт измерения гармоник останавливается на 9 кГц). Первый интересный момент — это очень низкие частоты в электромагнитном спектре. Это иллюстрируется спектром на рис. 4;

Рисунок 4: Упрощенный электромагнитный спектр с положением гармоник сети

«Радиочастота» обычно считается начинающейся с 9 кГц, и на самом деле очень мало радио применений ниже ~100 кГц из-за сложности генерации полезной электромагнитной волны. Это значит, что гармоники не распространяются как волны и перемещаются только по проводимости вокруг проводки энергосистемы. Они не вызывают помехи рассеянной связью, а только проводясь в другое оборудование через силовую проводку. Причина, почему их нужно учитывать — они кумулятивны — так один выпрямитель в телевизоре имеет ничтожный эффект, но когда миллионы телевизоров работают одновременно, их гармоники имеют ту же частоту и фазу, поэтому они складываются в энергосистеме. Общий эффект — искажение синусоидальной формы напряжения. Рис. 5 иллюстрирует вид «плоского верха» искажения, вызванного выпрямителями;

Рисунок 5: Искажение напряжения, вызванное гармониками выпрямителей

Умеренный уровень гармонического тока в энергосистеме не вызывает обеспокоенности, но если он становится чрезмерным, могут возникнуть проблемы. Ниже перечислены некоторые возможные эффекты чрезмерных гармоник в энергосистеме. Все они довольно необычны, но если случаются, могут быть сложными и дорогими для исправления.

• Увеличенный нагрев некоторых частотно-зависимых электротехнических устройств, особенно:
  • Конденсаторов для коррекции коэффициента мощности
  • Асинхронных двигателей
  • Трансформаторов
  • Генераторов (например, малых локальных генераторов, таких как резервные источники питания)
• Акустический шум в трансформаторах, шинах и т.д.
• Ошибки в оборудовании, использующем частоту сети для тайминга (теперь сталкиваются редко)
• Нежелательное срабатывание систем ИБП, реагирующих на искажение формы волны
• Наводка шума в аналоговых звуковых системах, например, в театре или церкви
• Нежелательное срабатывание реле защиты энергосистемы, приводящее к потере общественного питания

Серьезные трудности с гармониками необычны, за исключением довольно специальных случаев. Один пример — корабль с собственным генератором ограниченной мощности и большим числом приводов или других выпрямителей. Однако электросетевые компании испытывают накопление гармоник от миллионов мелких приборов в эксплуатации, и есть локации, где 5-я гармоника в общественной сети на предельном значении.

«Шум»

Обратите внимание: эффект гармоник не включает вид помех к электронным схемам, обычно называемый «электрическим шумом», который tends to приводить к шуму и вибрации в аналоговых системах приводов и/или ошибкам данных в цифровых каналах. Причины:

• Частота гармоник слишком низка для значительной рассеянной связи по индукции между соседними электрическими цепями. Большинство электрических помех вызвано гораздо более высокими частотами, которые могут связываться электромагнитно или через рассеянную индуктивность заземляющих соединений.

Гармоники распространяются как последовательные токи в силовой цепи только, т.е. они движутся по силовым проводникам энергосистемы и не в заземляющих соединениях. Высокочастотный «шум» обычно в общем режиме, т.е. он движется в проводниках, и цепь завершается заземлением. См. рис. 6 для дополнительного объяснения;

Рисунок 6: Последовательный режим (а) и общий режим (б) в однофазной силовой цепи

Данные гармоник: вход и выход, напряжение и ток

Пользователи приводов иногда запрашивают данные гармоник для привода. Есть вероятность путаницы, потому что они могут относиться к входу или выходу, и к току или напряжению. Таблица ниже резюмирует данные, релевантные для каждого места.

[Таблица данных гармоник]

Иногда запрос данных выходных гармоник исходит от опыта пользователя с инверторными приводами предыдущих поколений, использовавших квази-квадратную технику и содержавших нетройные гармоники рабочей частоты. С ШИМ гармоники пренебрежимо малы.

Резюмируя таблицу, единственными характерными данными гармоник для конкретной модели привода являются данные входного тока. Они должны быть доступны у поставщика по запросу.

Во второй части блога о гармониках мы посмотрим, как гармоники измеряются и оцениваются, как они варьируются с загрузкой привода, и что можно сделать, если их нужно снизить.