Квалитет на електрична енергија и проблеми предизвикани од хармониците

Скриена мистерија предизвикува во електричната инсталација за употреба на производствени единици и канцелариски згради необјасниви појави, кои влијаат на квалитетот на електричната енергија:

Преоптоварување на спроводникот со нула работа
Несакана работа на заштитни уреди
Прегревање на трансформаторите при умерени оптоварувања
Деформација на кривата на напон
Преоптоварување на кондензаторот за корекција на факторот на моќност
Прегревање на спроводниците предизвикано од филмскиот ефект
Подтовар на моторот предизвикано од асиметрија на напон

Проблем? хармоници.

Хармониците се нус-производи на модерната електроника. Тие се широко распространети особено кога има голем број компјутерски техники и погони со променлива брзина.

Практично целата современа електрична и електронска опрема има извори на префрлување или ја контролира апсорбираната енергија на еден или друг начин и со тоа резултира во нелинеарни оптоварувања.

Совршено напојување е оној кој е секогаш достапен, со напон и фреквенција во дозволените граници и со совршено синусоидална крива на напон.

Прекините на струјата се најважната компонента на квалитетот на испорачаната електрична енергија.

Лош квалитет на напон е скриен трошок. Обично се открива и не се дијагностицира сè додека не се појават скапи дефекти.

Причини и ефекти генерирани од хармониците

Кога зборуваме за хармоници во електрични инсталации ние се однесуваме главно на струи бидејќи хармониците произлегуваат од струите и повеќето штетни ефекти се предизвикани од овие струи.

Хармониските фреквенции се цели множи на основната фреквенција на снабдување. Преклопувањето на хармоничните струи над основната струја предизвикува несинусоидални бранови форми поврзани со нелинеарни полнежи.

Линеарните оптоварувања се релативно ретки, со единствени примери неконтролирани лампи со блескаво светло и неконтролирано греење.

Сл. 1 - Проблеми генерирани од хармониците

На сликата од екранот прикажана на сликата погоре, зелената крива одговара на тековните хармоници присутни во инсталацијата.

Црвената крива го означува искривениот сигнал на мрежниот напон. Многу е јасно дека сигналот на хармоничната струја достигнува големи амплитуди, што генерира пад на напон.

Видови опрема што генерираат хармоници

Хармоничните струи се генерираат од нелинеарни оптоварувања. Овие вклучуваат еднофазни и трифазни задачи, како што се:

компјутери, факсови, ламби за празнење
електронски придушници за флуоресцентни светилки
мали непрекинати напојувања (UPS)
погони со променлива брзина
големи единици на UPS-от
индустриски лачни печки
полначи (исправувачи) за електрични акумулатори

Проблеми предизвикани од хармонични струи

1. Преоптоварување на спроводникот со нула работа

Во трифазен систем, кривите на напон на секоја фаза во однос на неутралната точка на connectionвездената врска се префрлаат за 120 °.

Така, ако секоја фаза е подеднакво наполнета, добиената неутрална струја е нула. Ако оптоварувањата не се избалансирани, само резултатот од збирот на повратните струи се пренесува на неутрален, а хармоничните струи со повеќе рангирање од три се додаваат во неутралниот спроводник.

Ова доведува до струја што тече низ неутралниот и која често е на 120% -130% од фазните струи. Овој ефект е илустриран на Слика 2, каде фазните струи, прикажани на горниот дел, се префрлаат на 120 °.

Сл. 2 - Хармоничните струи со повеќекратно рангирање од три се собираат во неутралниот проводник

Едноставно решение, каде што се користат кабли со еден проводник, е да се удвои пресекот на неутралниот или како два одделни спроводници или како единствен спроводник со поголем пресек.

2. Прегревање на трансформаторите при умерени оптоварувања

На трансформаторите влијаат двонасочни хармоници. Прво, тековните загуби на Фуко, кои вообичаено сочинуваат околу 10% од номиналните загуби на оптоварување, се зголемуваат за квадратот на хармонискиот ранг.

Во пракса, за трансформатор кој работи со номинална моќност и снабдува нелинеарни оптоварувања, вкупните загуби ќе бидат двојно поголеми отколку за линеарно оптоварување.

Резултатот е многу повисока температура што доведува до соодветно намалување на работниот век.

Сл. 3 - Инфрацрвена слика на прегреан трансформатор при умерено оптоварување

Вториот ефект се однесува на хармониците со повеќекратно рангирање од три. Тие се наоѓаат во сите фази на ликвидацијата на трансформаторот со триаголник, тие имаат кружна патека во намотките.

Хармоничните струи со повеќекратно рангирање од три ефективно се апсорбираат од ликвидацијата и не се шират до напојувањето.

Така, трансформаторите за намотување на триаголници се корисни како изолациони трансформатори. Треба да се напомене дека другите хармоници, кои немаат повеќе ранг од три, поминуваат низ ликвидацијата.

3. Несакана работа на заштитни уреди

Прекинувачи на преостаната струја (RCD) работат на збир на фазни и неутрални струи и, ако разликата не е под поставената граница, исклучете го товарот.

Ненавременото сопнување може да се појави во присуство на хармоници од две причини. Прво на сите, прекинувачот, како електромеханички уред, може да не ги собере компонентите на висока фреквенција правилно. Како резултат, неправилно активира.

Второ, типот на опрема што генерира хармоници, исто така, произведува бучава поради прекинувачот што мора да се филтрира пред да се поврзе со напојувањето.

Филтрите што се користат за оваа намена обично имаат кондензатор помеѓу фазата и земјата и помеѓу неутралниот спроводник и земјата. Како резултат, ќе има мало истекување на земјата.

Ненамерното сопнување на прекинувачите вообичаено е предизвикано од струи во колото што се поголеми од пресметаните или измерените, поради присуството на хармонични струи.

Повеќето преносни инструменти не ја мерат вистинската вредност и можат да ги потценат несинусоидните струи за 40%.

4. Преоптоварување на кондензатори за корекција на факторот на моќност

Кондензатори за корекција на факторот на моќност се дизајнирани да генерираат струја на фазно поместување

Сл. 4 - Кондензатори оштетени од присуството на хармоници во инсталацијата

пред напон за да се компензира фазно-менуваната струја предизвикана од индуктивно оптоварување, како што е асинхрон мотор.

Импедансата на кондензаторот се намалува со зголемување на фреквенцијата, додека импедансата на изворот, што е генерално индуктивна, се зголемува со фреквенцијата.

Затоа е веројатно дека многу високи хармонични струи ќе поминат низ кондензаторот и може да настане оштетување ако не е дизајнирано да ги издржува.

Потенцијално посериозен проблем што може да се појави за или близу до хармонична фреквенција е резонанцата помеѓу кондензаторот и реактансата на истекување на системот за напојување (што очигледно може да се појави на фреквенции во опсег од 100 Hz).

Кога тоа се случи, може да се генерираат многу високи напони и струи, што честопати доведува до катастрофално оштетување на кондензаторот (како на слика 4).

Резонанцата може да се избегне со вметнување на серпентина во серија со кондензаторот, така што комбинацијата останува индуктивна, барем за значителни хармоници со најнизок ранг.

Ова решение исто така ја ограничува хармоничната струја што може да тече во кондензаторот. Индуктивноста на серпентина може да биде проблем, особено кога се присутни нискокласни хармоници.

5. Прегревање на спроводниците предизвикано од филмскиот ефект

Наизменична струја има тенденција да тече на површината на спроводникот. Овој феномен е познат како филмски ефект и е поизразен на високи фреквенции.

Ефектот на филмот е нормално игнориран затоа што има многу мал ефект на номиналната фреквенција на напојување, но со над 350 Hz, односно од хармоничен 7, ефектот на филмот станува важен, предизвикувајќи дополнителни загуби и загревање на проводниците за напојување (како на слика 5 ).

Каде има хармонична струја, дизајнерите мора да го земат предвид филмскиот ефект и соодветно да ги растоварат каблите. Употребата на повеќежични кабли или валани шипки помага да се реши овој проблем.

Сл. 5 - Прегревање на спроводниците заради филмскиот ефект

6. Деформација на кривата на напон

Деформираната струја на оптоварување, генерирана од нелинеарното оптоварување, предизвикува деформиран пад на напон на импедансата на каблите.

Како резултат на деформираниот напон се применува на сите оптоварувања поврзани со истото коло, произведувајќи хармонични струи што течат низ нив дури и ако се линеарни оптоварувања, како што е прикажано на слика 6.

Сл. 6 - Деформација на кривата на напон

При анализа на нивото на изобличување на хармоничниот напон, мора да запомниме дека кога товарот се пренесува на UPS-от или резервен генератор за време на прекин, импедансата на изворот и добиената дисторзија на напонот се многу поголеми.

7. Преоптоварување на моторот предизвикано од асиметрија на напон и хармоници на напон

Хармоничните напони во индукционите мотори ги зголемуваат загубите на вртливите струи,

Сл. 7 - Прегревање на мотори поради хармоници на напон

на ист начин како и во случај на трансформатори.

Покрај тоа, се јавуваат дополнителни загуби како резултат на генерирање на хармонични полиња во статорот, од кои секоја има тенденција да го ротира моторот со различна брзина, во една или друга насока.

Високите фреквентни струи предизвикани од роторот доведуваат до понатамошно зголемување на загубите и температурата на ликвидацијата како на слика 7.

заклучоци

Овие настани со квалитет на енергија нарушуваат многу чувствителни процеси и го скратуваат корисниот век на опремата, што доведува до непотребни трошоци во форма на имплементирани решенија за погрешно дијагностицирани проблеми.

Точното ниво на отстапувања од совршеното напојување што може да се примени зависи од апликацијата на корисникот, видот на инсталираната опрема и неговата перцепција за потребните услови.

Електричната индустрија има тенденција да проценува прекини во врска со трошоците за електрична енергија што не е доставена.

Потрошувачот го проценува во однос на загубите во производството предизвикани од прекини.

Загубите во производството можат да бидат многу значајни, а времетраењето на недостапноста за подготовка на објектите со цел да се продолжи со производството е многу долго и вклучува големи трошоци.

препорака

Целта е да се идентификуваат точките каде може да се појават прекини и да се отстранат со обезбедување резервна опрема (вишок) или алтернативни патишта за снабдување.

Така, активноста може да продолжи во случај на единствен инцидент. Главните методи што се користат за ограничување на овие ефекти вклучуваат инсталација на систем за филтрирање или изолација (разделувачки трансформатори).

Извори на резервна копија и системи на UPS-от, неопходни за покривање на кратки и долгорочни прекини се основни елементи за системот способен да се справи со варијациите во напојувањето.

Откако хармониците ќе бидат „под контрола“, загубите на напојување исчезнуваат, а истовремено и енергијата обезбедена од мрежата е достапна за други задачи.

Затоа, енергијата што ја снабдува електричната мрежа ќе биде оптимизирана, со што ќе се намалат трошоците за енергија.

Да се обезбеди добар квалитет на електрична енергија бара добар почетен дизајн, ефикасна опрема за корекција, соработка со добавувачот, чест мониторинг и добро одржување..

Со други зборови, тоа бара сеопфатен пристап и добро разбирање на принципите и практиките за подобрување на квалитетот на електричната енергија.