Ещё раз про гармоники...
Как их обнаружить?
Редактор: Вадим Дубинский
Вадим Дубинский
Редактор и инженер Fluke CIS
20 ноября 2019
В одном из уже опубликованных материалов мы касались темы гармоник в электрической системе предприятия. Но одной статьи явно недостаточно, нам задают много вопросов и делятся случаями из практики, относящейся к этой теме.

Про то, откуда берутся гармоники, мы уже рассказывали. Рассмотрим подробнее, как их обнаружить. И для начала еще немного теории.
В идеальной системе энергоснабжения переменного тока напряжение изменяется по синусоиде.

В нелинейных нагрузках, таких как выпрямители и переключатели, потребление тока не обязательно имеет вид синусоиды. Сигнал, поэтому, принимает сложную форму.

Сигнал сложной формы можно разложить на отдельные синусоидальные составляющие — ряд Фурье (этот подход еще 200 лет назад предложил Жан-Клод Батист Фурье).

Синусоидальные колебания также называют «гармоническими колебаниями» или еще проще — «гармониками». Поэтому мы можем называть наименьшую частоту «основной гармоникой». Когда основная частота равна 50 Гц, частота третьей гармоники (основная частота кратная трем) составит 3×50 = 150 Гц. Таким образом, гармоники имеют порядок, при этом основная (несущая) частота получает номер 1 (50 Гц x 1, например), а более высокие гармоники — целое число, кратное величине основной частоты. Гармоники всегда привязаны к основной частоте, в европейских (и Российских) системах она имеет величину 50 Гц.

В большинстве случаев мы пользуемся обратным методом: берем «неочищенный сигнал» и интересуемся, из каких гармоник его можно сконструировать.

Как это представить? На рисунке слева — несинусоидальный сигнал. Дальше — тот же сигнал со всеми гармониками. Очень много информации… но не очень наглядно.
Гораздо удобнее описывать гармоники гистограммой, в которой высота каждого столбца показывает амплитуду соответствующей гармоники. Часто высоту выражают в процентах от амплитуды основной (первой) гармоники — это нагляднее показывает величину проблемы.


Кстати, о величине. Понятно, что чем меньше величины гармоник (всех, кроме основной), тем лучше. Действующий ГОСТ (32 144−13) устанавливает допустимые значения гармонических составляющих до 40-го порядка и значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения.
Цифровой мультиметр, очевидно, не будет выдавать несколько значений, когда сигнал содержит гармоники, он предоставит только действующее значение полного сигнала на своих входах. Для того чтобы измерять степень несинусоидальности (величину гармонических искажений) нужен анализатор показателей качества электроэнергии, поддерживающий такой функционал.
Кстати говоря, суммарный коэффициент гармонических составляющих (в англоязычных интерфейсах он обозначается THD — total harmonic distortion) может быть измерен любым из анализаторов ПКЭ Fluke, даже однофазным Fluke VR 1710. Для анализа интенсивности отдельных гармоник по напряжению и току потребуются «старшие модели»: Fluke 1736, 1738, 1746, 1748 и так далее. Измерения напряжения гармонических составляющих проводятся в соответствии с ГОСТ 30 804.4.7.
Такие гармонические компоненты влияют на работу электродвигателей, трансформаторов, кабелей и другого электрооборудования. Зачастую электрооборудование внешне работает нормально, однако при комбинации некоторых условий влияние гармоник усиливается, что приводит к разрушительным последствиями сбоям процессоров высокоточного оборудования.
Гармоники делятся на гармоники прямой (+), обратной (-) и нулевой (0) последовательности.
Гармоники прямой последовательности (гармоники с номерами 1,4,7,10,13 и т. д.) создают магнитные поля и токи, вращающиеся в том же направлении, что и ток на основной частоте. Они стремятся к тому, чтобы заставить электродвигатель вращаться быстрее основной частоты. При этом происходит снижение крутящего момента электродвигателей, нагрев проводников, разъединителей и т. д.
Гармоники обратной последовательности (гармоники с номерами 2,5,8,11,14 и т. д.) формируют магнитные поля и токи, вращающиеся в направлении, которое обратно направлению положительной последовательности. Они приводят к тому, чтобы двигатель вращался медленнее основной частоты, создают на него дополнительную нагрузку. Нагрев такой же, как и в предыдущем случае, плюс проблемы двигателей из-за работы в перегруженном режиме.
Гармоники нулевой последовательности гармоник (гармоники с номерами 3,9,15,21 и т. д.) не создают полезного вращательного момента, однако приводят к дополнительным потерям в электрооборудовании. Они также приводят к нагреву, но самое характерное для них — многократное возрастание тока в нейтрали в 3-фазных системах типа «звезда».
Влияние гармоник на электродвигатели
Компоненты, работающие под напряжением более высокой частоты, создают дополнительные потери в сердечнике электродвигателей переменного тока, что повышает рабочую температуру сердечника и обмоток вокруг него. Подача несинусоидального напряжения на электродвигатели приводит к протеканию токов гармоник в их обмотках и перегреву. Суммарное среднеквадратичное значение тока гармоник — это квадратный корень из суммы квадратов отдельных токов гармоник. Потери на обмотках электродвигателя I2R пропорциональны квадрату среднеквадратичной величины тока.

Батареи конденсаторов
Большинство конденсаторов рассчитаны на работу максимум при 110% от номинального значения напряжения (в течение 8 часов в день максимум) и при 135% от их номинальной реактивной мощности (подробнее — IEC 60 831−1+2). В системе энергоснабжения, которая характеризуется высоким напряжением или наличием гармоник тока, эти ограничения часто не соблюдаются, что приводит к выходу из строя батарей конденсаторов. Поскольку реактивное емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте, неотфильтрованные токи гармоник находят путь к батареям конденсаторов. Эти батареи работают как сток, пропуская токи гармоник, и в результате этого испытывают перегрузку по току и от этого перегреваются.
Для защиты конденсаторов в таких случаях разумно применять дроссели.

Кабели
Протекание нормального тока на основной частоте в кабеле формирует потери I2R, а искажения тока привносят дополнительные потери в проводнике. Кроме того, эффективное сопротивление кабеля растет с ростом частоты из-за скин-эффекта, где неравномерность плотности тока по сечению кабеля приводит к тому, что переменный ток протекает по внешней части проводника. Чем выше частота переменного тока, тем более выражена эта тенденция. Поскольку в проводнике могут протекать и ток основной частоты, и токи гармоник, важно, чтобы характеристики кабеля соответствовали параметрам тока.

Основные расходы, связанные проблемой гармоник, вызваны уменьшением срока службы электродвигателей и трансформаторов. Если оборудование является частью производственной линии, то его неисправности могут повлиять на прибыль.
Можно по-разному подойти к решению проблемы гармоник. Схемные решения: подключение к более мощной системе энергоснабжения, или добавление рядом активной нагрузки, или выделение нелинейных нагрузок на отдельные секции шин, или изменение импеданса линии к которой пони подключены (увеличение сечения или уменьшение длины).
Если же схемные решения не возможны, то идут в ход технические решения: использование дорогих частотных преобразователей (12ти или 24х-импульсные схемы), применение пассивных фильтров или активных фильтров гармоник подключенных последовательно (более дорогие, но влияющие непосредственно на гармоники напряжения) или параллельно (более дешевые, влияющие на гармоники напряжения через гармоники тока).
Хорошим практическим решением может стать использование таких приборов как PQSine от TDK Electronics. PQSine позволяет не только защитить конденсаторы от воздействия гармонических искажений, но и привести их в соответствие со стандартом (и даже ниже). А также снизить влияние гармоник на кабели, силовые трансформаторы и все распределительное оборудование. PQSine отслеживает в режиме реального времени уровень и спектр гармоник тока и генерирует компенсационный ток в противофазе с ними. Его действие хорошо видно на следующей иллюстрации:
до подключения PQSine — THD принимает значения 28,1…28,6%
после подключения PQSine — THD снижается до 0,9…1%
Информация показалась интересной?
Договоритесь о демонстрации с вашим представителем Fluke.
Нужна демонстрация!
Поделиться
Напишите в комментариях ваше мнение по теме!
Читайте другие наши статьи!