Modern güç sistemlerinde daha yüksek harmoniklerin ortaya çıkma nedenleri

Modern dünyanın elektrikli ekipmanları, özellikle BT teknolojileri için giderek daha karmaşık hale geliyor. Bu eğilim nedeniyle, güç kalitesi güvence sistemlerinin şu gereksinimleri karşılaması gerekir: endüstriyel ağ ve ilgili kullanıcılarının normal şekilde çalışabilmesi için dalgalanmaları, dalgalanmaları, voltaj düşüşlerini, gürültüyü, darbe gürültüsünü vb.

Doğrusal olmayan yüklerin neden olduğu harmonikler nedeniyle şebeke geriliminin yeniden şekillenmesi çözülmesi gereken temel problemlerden biridir. Bu yazıda, bu sorunun derinlemesine yönlerine bakacağız.

Sorunun özü nedir

Mevcut ofis ekipmanının, bilgisayarların, ofisin, multimedya ekipmanlarının ana payı, genel olarak, ortak bir güç ağına büyük miktarlarda bağlanan ve ağ voltajının şeklini bozan doğrusal olmayan yüklerdir.

Bu çarpık voltaj, diğer elektrikli cihazlar tarafından acı verici bir şekilde algılanır ve bazen normal çalışmalarını önemli ölçüde bozar: arızalara, aşırı ısınmaya, senkronizasyonun bozulmasına neden olur, veri iletim ağlarında parazit oluşturur - genel olarak, sinüzoidal olmayan alternatif voltaj, çok çeşitli ekipmana neden olabilir , süreçler ve malzeme dahil insanlara rahatsızlık.

Gerilim bozulması, bir çift katsayı ile tanımlanır: daha yüksek harmoniklerin rms değerinin şebeke geriliminin temel harmoniğinin rms değerine oranını yansıtan sinüzoidal faktör ve şuna eşit olan yük tepe faktörü tepe akım tüketiminin etkin yük akımına oranı.

Daha yüksek harmonikler neden tehlikelidir?

Daha yüksek harmoniklerin tezahürünün neden olduğu etkiler, maruz kalma süresine göre ani ve uzun vadeli olarak ayrılabilir. Aniden bahsetmek yaygındır: besleme voltajı şekil bozulması, dağıtım şebekesi voltaj düşüşü, harmonik frekans rezonansı dahil harmonik etkiler, veri iletim şebekelerinde zararlı parazit, akustik aralıkta gürültü, makinelerin titreşimi. Uzun vadeli problemler şunları içerir: jeneratörlerde ve transformatörlerde aşırı ısı kayıpları, kondansatörlerin ve dağıtım şebekelerinin (kabloların) aşırı ısınması.

Harmonikler ve hat gerilimi şekli

Şebeke sinüs dalgasının yarısındaki önemli tepe akımları, tepe faktöründe bir artışa yol açar.Tepe akımı ne kadar yüksek ve kısa olursa, bozulma o kadar güçlü olurken tarak faktörü, güç kaynağının yeteneklerine, iç direncine - böyle bir tepe akımı sağlayıp sağlayamayacağına bağlıdır. Bazı kaynaklar, anma güçlerine göre abartılmalıdır, örneğin jeneratörlerde özel sargılar kullanılmalıdır.

Ancak kesintisiz güç kaynakları (UPS) bu sorunla çok daha iyi başa çıkıyor: çift dönüşüm nedeniyle, yük akımını her an kontrol edebiliyorlar ve PWM kullanarak düzenleyerek akımın yüksek tarama katsayısı nedeniyle sorunları önlüyorlar. . Başka bir deyişle, yüksek tepe faktörü, kaliteli bir UPS için bir sorun değildir.

Daha yüksek harmonikler ve voltaj düşüşü

Yukarıda belirtildiği gibi, UPS'ler yüksek tepe faktörlerini iyi idare eder ve dalga biçimi bozulmaları %6'yı geçmez. Buradaki bağlantı kabloları, kural olarak, önemli değil, oldukça kısalar. Ancak hat gerilimindeki harmonik bolluğu nedeniyle, akım dalga biçimi, özellikle tek fazlı ve üç fazlı doğrultucular tarafından sunulan tek yüksek frekanslı harmonikler için sinüzoidalden sapacaktır (şekle bakın).

Dağıtım ağının karmaşık empedansı genellikle endüktif doğa, bu nedenle, büyük miktarlarda akım harmonikleri, 100 metre uzunluğundaki hatlarda önemli voltaj düşüşlerine yol açacaktır ve bu düşüşler izin verilenleri aşabilir ve bunun sonucunda yük üzerindeki voltaj şekli bozulur.

Örnek olarak, tek fazlı bir diyot doğrultucunun çıkış akımının, transformatörsüz bir girişe sahip güçlü bir cihazın giriş filtresinin direncine bağlı olarak farklı ağ empedanslarında nasıl değiştiğine ve bunun voltaj dalga biçimini nasıl etkilediğine dikkat edin.

Üçüncünün harmonik katları sorunu

Üçüncü, dokuzuncu, on beşinci vb. — şebeke akımının daha yüksek harmonikleri, yüksek genlik katsayıları ile karakterize edilir. Bu harmonikler, tek fazlı yüklerden kaynaklanır ve üç fazlı sistemler üzerindeki etkileri oldukça spesifiktir. Eğer üç fazlı sistem simetriktir, akımlar birbirinden 120 derece yer değiştirir ve nötr teldeki toplam akım sıfırdır, — tel boyunca voltaj düşüşü olmaz.

Bu, çoğu harmonik için teoride doğrudur, ancak bazı harmonikler, akım vektörünün temel harmoniğin mevcut vektörü ile aynı yönde dönmesi ile karakterize edilir. Sonuç olarak, nötrde, üçüncünün katları olan tek harmonikler birbiri üzerine bindirilir. Ve bu harmonikler çoğunlukta olduğu için, toplam nötr akımı faz akımlarını aşabilir: diyelim ki 20 amperlik faz akımları, 30 amperde 150 Hz frekanslı bir nötr akımı verecektir.

Harmoniklerin etkisi dikkate alınmadan tasarlanan bir kablo aşırı ısınabilir çünkü akla göre kesiti büyütülmüş olmalıdır. Üçüncünün harmonik katları, üç fazlı bir devrede birbirine göre 360 ​​derece dengelenir.

Rezonans, girişim, gürültü, titreşim, ısınma

Dağıtım ağları var rezonans tehlikesi daha yüksek akım veya gerilim harmoniklerinde, bu durumlarda harmonik bileşenin temel frekanstan daha yüksek çıkması sistem bileşenlerini ve ekipmanını olumsuz etkiler.

Daha yüksek harmonik akışına sahip akımların parazite maruz kaldığı enerji hatlarının yakınında bulunan veri iletim ağları, içlerindeki bilgi sinyali bozulurken, hattan ağa olan mesafe ne kadar kısa olursa, bağlantılarının uzunluğu o kadar uzun olur. harmonik frekans — distorsiyon bilgi sinyali o kadar büyük olur.

Transformatörler ve bobinler daha yüksek harmonikler nedeniyle daha fazla ses çıkarmaya başlar, elektrik motorları manyetik akıda titreşimler yaşar ve bu da şaft üzerinde tork titreşimlerine neden olur. Elektrik makineleri ve trafolar aşırı ısınır ve ısı kayıpları oluşur. Kondansatörlerde dielektrik kayıp açısı şebekeden daha yüksek bir frekansla artar ve aşırı ısınmaya başlarlar, dielektrik bozulma meydana gelebilir. Sıcaklıklarının artması nedeniyle hatlardaki kayıplardan bahsetmeye gerek yok...