Гармоническое искажение форм тока и напряжения. Источники гармоник.

За последние десятилетия поставщики и потребители электроэнергии столкнулись с серьезными проблемами со сбоями в работе электрооборудования, вызванными наличием в сети гармонических искажений - синусоидальных составляющих, частоты которых являются целыми кратными основной частоты (см. Рис.1). Одной из основных причин появления данных искажений является рост в распределительных сетях количества и мощности нелинейных нагрузок.

Нелинейная нагрузка – нагрузка, у которой форма тока отличается от формы питающего напряжения. В качестве примеров нелинейной нагрузки можно привести таких потребителей, как

- Частотные преобразователи

- Приводы постоянного тока

- Устройства плавного пуска

- Светодиодное освещение

- Выпрямители

- Сварочные аппараты

- Дуговые печи

- Оргтехника

- Источники бесперебойного питания

Как видно, основным источником гармоник является силовая электроника.

Главным показателем уровня гармонических искажений в сети является коэффициент полного гармонического искажения THD (Total Harmonic Distortion).

THDi - коэффициент полного гармонического искажения тока.

Считается, что при THDi< 10% опасности нарушения работы оборудования нет, при  10% < THDi < 50% имеется значительное гармоническое возмущение, способное вызывать перегревы, а при  THDi > 50% имеется критическое  гармоническое возмущение, способное нарушить работу оборудования (требуется исследование и принятие мер по подавлению гармонического возмущения).

THDu- коэффициент полного гармонического искажения напряжения.

Считается, что при THDu< 5% опасности нарушения работы оборудования нет, при  5% < THDu< 8% имеется значительное гармоническое возмущение, возможны нарушения в работе оборудования,  а при  THDu > 8% имеется критическое  гармоническое возмущение, способное нарушить работу оборудования (требуется исследование и принятие мер по подавлению гармонического возмущения).

На рис. 1 представлена форма искаженного суммарного тока в сети при наличии 3, 5, 7, 9 гармоник.

 Рис.1.  Пример формы тока при наличии 3, 5, 7, 9 гармоник.

Проблемы от наличия гармоник в сети.

Обобщив, можно сказать, что возмущения в сети, вызываемые гармониками, приводят к существенным экономическим потерям.  Следует заметить, что экономические потери возникают уже на этапе проектировании промышленной установки, ведь наличие гармоник увеличивает действующую величину тока в распределительных сетях и принуждает завышать параметры электрооборудования, заявлять повышенную мощность.

Также к экономическим потерям, при наличии нежелательных гармоник в сети, приводят простои оборудования из-за ложных отключений, сбоев в работе чувствительного оборудования. Некоторые непрерывные и/или сложные производства могут терять до нескольких миллионов рублей за 1 час такого отключения.

Сокращение срока службы электрооборудования тоже является следствием наличия в сети нежелательных гармоник, которые приводят к его перегрузкам, перегревам, и, как итог, дополнительным затратам при планово-предупредительных ремонтах. По данным Канадской Электрической Ассоциации, при коэффициенте искажения напряжения питания, близком к 10 %, срок службы аппаратуры, в зависимости от типа аппарата, сокращается на 32,5 % для однофазных машин, 18 % для трёхфазных машин, 5 % для трансформаторов.

Подытожим проблемы от наличия нежелательных гармоник в сети:

- Экономические потери

- Повышенный износ электрооборудования

- Незапланированные остановы

- Повышенное энергопотребление

- Перегрузка электрооборудования

- Снижение рабочих параметров электрооборудования

- Необходимость в завышении параметров электрооборудования

- Помехи для работы чувствительных приборов

- Явление резонанса

Устранение (ослабление) гармоник в сети.

В первую очередь следует понимать, требуется ли предпринимать меры по подавлению гармонического возмущения в сети или нет. Современные цифровые анализаторы сети позволяют ответить на этот вопрос. При этом производится измерение таких параметров как THDi, THDu, коэффициент мощности, коэффициент амплитуды, определяется спектр сигнала тока и напряжения. Измерения проводятся на уровне источника питания, сборных шин ГРЩ, каждой отходящей линии ГРЩ.

В случае, если подавление гармонического возмущения требуется, оно может быть выполнено следующими способами:

- Применение дросселей

- Применение пассивных фильтров

- Применение активных фильтров

- Применение комбинированных фильтров

- Распределение нагрузок по группам

- Применение трансформаторов ? Y ?

При выборе способа подавления гармонических возмущений учитывается тип искажений синусоиды тока и напряжения, THD, топология распределительной сети.

Рассмотрим подробнее применение активных фильтров на примере AccuSine PCS+ производства SchneiderElectric.

Указанный активный фильтр – это быстродействующее электронное устройство со звеном постоянного тока и силовыми биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), позволяющее эффективно подавлять гармоники (до 50-й), обеспечвать THDi <3%, корректировать до 3000 А, увеличивать коэффициент мощности, снижать небаланс в сети. AccuSine PCS+ является фильтром с шунтирующим подключением (существуют также активные фильтры с последовательным включением, но  они имеют значительно бОльшую стоимость).

Принцип работы активного фильтра основан на инжекции тока в противофазе с током гармонических искажений. При этом активные фильтры измеряют ток нагрузки с помощью трансформаторов тока, что позволяет определить содержание гармоник и сгенерировать токовый сигнал требуемой формы.

Рис.2. Активный фильтр в системе с преобразователями частоты.

Основными преимуществами при использовании активных  фильтров являются простота их интеграции в распределительную сеть и в систему управления предприятия, возможность одновременного подавления гармоник, возможность корректировки коэффициента мощности, снижение небаланса в сети.

По вопросам повышения качества электроэнергии обращайтесь в ООО “Драйвика”  по тел. (812) 635-90-30, или по электронной почте support@driveka.ru .