Гармоника электротехника что такое
Максимально просто о гармониках и проблемах, возникающих от них
Анонс: Что такое гармонические искажения, гармоники и как они влияют на стабильность электроснабжения и качество электроэнергии в сети. Эмиссия гармонических искажений силовым оборудованием, проблемы технических средств компенсации реактивной мощности и фильтров гармоник.
В идеале любой источник питания, в том числе ТП распределительной сети, должен стабильно давать ток идеально синусоидального напряжения в каждом месте силовой сети абонента-потребителя, однако по ряду причин электросетевым компаниям часто бывает трудно обеспечить такие условия из-за эмиссии и трансмиссии гармонических искажений. Гармонические искажения тока, напряжения далеко не новость, но в настоящее время они представляют собой одну из основных проблем, вызывающих нарушения стабильности электроснабжения и качества электроэнергии в электроэнергетике.
В первых электроэнергетических системах гармонические искажения в основном вызывались насыщением трансформаторов, промышленных дуговых печей, мощных электросварочных аппаратов и т. п., а сами гармоники представляли сравнительно небольшую проблему из-за консервативной конструкции силового оборудования. Сегодня все более широкое использование нелинейных нагрузок в силовых сетях промышленных и непромышленных объектов обуславливает увеличение объемов гармонических искажений в распределительных сетях, причем именно через распределительные сети из-за «перегенерации» искажений трансформаторами ТП электросетевой компании силовые сети абонентов обмениваются гармониками между собой, (трансмиссия).
Наиболее часто используемой нелинейной нагрузкой является, пожалуй, ШИМ-преобразователь, широко используемый в сталелитейной, бумажной и текстильной промышленности, в приводах управление скоростью электродвигателя.
Гистограмма амплитуд гармоник, генерируемых в шестипульсном ШИМ-преобразователе
Наряду с этим, свой вклад в засорение сетей гармониками вносят системы энергосберегающего освещения, электроника центров обработки данных, программно-технических комплексов АСУ, электрические транспортные системы, бытовые электроприборы и т. д. К 2000 году было зафиксировано, что на электронные нагрузки приходилось около половины спроса на электроэнергию в США и развитых странах мира, а за два десятка лет нового века эта доля возросла до 70-80 %, и это вывело проблему гармонических искажений в перечень приоритетных и критических.
Для справки
Упрощенно, нелинейные нагрузки — это нагрузки, в которых форма волны тока не похожа на форму волны приложенного напряжения по ряду причин, например, из-за использования электронных переключателей, которые проводят ток только в течение части периода промышленной частоты и, следовательно, здесь закон Ома не может описать связь между напряжением и током. Среди наиболее распространенных нелинейных нагрузок — все типы выпрямительных устройств, в том числе источники бесперебойного питания, преобразователи напряжения компьютеров, частотно-регулируемые приводы, электрические печи, люминесцентные лампы и т. д. Нелинейные нагрузки вызывают искажение формы сигнала напряжения, перегрев трансформаторов и других силовых устройств, перегрузку по току проводов и клемм соединения оборудования, телефонные помехи, сбои в управлении микропроцессорами и пр.
Сам термин «гармоники» заимствован из области акустики, где он был связан с вибрацией струны или молекул воздуха с частотой, кратной базовой частоте, а гармоническая составляющая в системе питания переменного тока определяется как синусоидальная составляющая периодической формы волны, частота которой равна целому кратному основной частоте системы. Тогда гармоники в формах волны напряжения или тока можно представить, как идеально синусоидальные составляющие частот, кратных основной частоте: fn=(n)·f1, где n — порядок гармоники. Т. е. для наших сетей с f1=50 Гц частота третьей (n = 3) гармоники будет f3=3·50=150 Гц, пятой (n=5) f5=5·50=250 Гц, седьмой (n=7) f7=7·50=350 Гц и т. д. Хотя кривые зависимости тока на фундаментальной частоте и токов гармоник имеют форму синусоиды, результирующая кривая искажена из-за взаимного влияния токов разных частот (см. на рис. ниже).
Синусоиды тока фундаментальной частоты и токов 3, 5 и 7-й гармоник (сверху), результирующая кривая тока в силовой сети из-за взаимного влияния токов разных частот (снизу
Ситуация стала более сложной с применением конденсаторных батарей, используемых на промышленных предприятиях для коррекции коэффициента мощности, и энергокомпаниями для стабилизации напряжения вдоль распределительных линий. Результирующее реактивное сопротивление емкости образует колебательный контур с индуктивным реактивным сопротивлением системы на определенной (резонансной) частоте, которая может совпадать с одной из характеристических гармоник нагрузки, что обуславливает значительный наброс токов гармоник, перенапряжения, способные повредить изоляцию. По факту далеко не решает проблему в полном объеме использование активных фильтров гармоник (АФГ), по сути, тех же ШИМ-преобразователей (инвертеров), которые демпфируют гармоники противофазными токами «ниже» места присоединения, а для силовой сети «выше» остаются источниками эмиссии гармонических искажений.
Такая ситуация ставит перед инженерами сложную задачу по выявлению и исправлению чрезмерных уровней гармонических искажений формы сигналов тока и напряжения от стадии планирования до стадии проектирования энергетических и промышленных установок, что позволит не только поддерживать сети и оборудование в оптимальных условиях эксплуатации, но и предвидеть потенциальные проблемы с интеграцией, модернизацией нелинейных нагрузок, а также технических средств для нивелирования перетоков реактивной мощности и/или фильтров гармоник.
Гармоники тока и напряжения в электротехнике
Качество поступающей электроэнергии обеспечивает правильную работу электроприборов, гарантирует их надёжность и долговечность. В быту и на производстве при использовании переменного тока предполагается, что он представляет собой идеальный синусоидальный сигнал. На практике это не соответствует действительности.
В реальной жизни форма сигналов является неправильной, имеющей искажения и провалы. Одной из распространённых причин такой проблемы считается воздействие паразитных токов. Знание того, что такое гармоники, понимание физики процесса поможет уменьшить их негативный эффект.
Что такое гармоники
Расскажем, что представляют собой гармоники в электрических сетях для чайников. Теоретически считается, что графики переменного напряжения и тока должны иметь правильную форму. Однако в сети присутствуют сигналы с частотой, кратной основной. Обычно это связано с тем оборудованием, которое потребляет электроэнергию из сети. На самом деле сеть не существует изолированно, а испытывает влияние со стороны подключённых к ней нелинейных нагрузок.
Сигнал, получаемый потребителями, представляет собой сумму не только основного сигнала, но и нескольких гармоник. Уровень их влияния характеризуется коэффициентом искажений. Учитывать влияние нелинейных нагрузок нужно обязательно, но для этого надо понимать природу гармоник и знать, как можно снизить их искажающее воздействие. Гармоники тока и напряжения в электросетях могут обладать разрушительным действием для электрооборудования. Токи высших гармоник способствуют возникновению паразитических импульсов.
С физической точки зрения гармоники представляют собой колебания, кратные частоте основного сигнала. Как известно, в электросетях применяется частота 50 Гц. Таким образом, частота 1-й гармоники составит 50 Гц, 2-й – 100 Гц, 3-й – 150 Гц и так далее. Как видим, третья гармоника имеет период втрое меньший, чем основная гармоника. Каждая из этих характеристик влияет на форму графика напряжения в том виде, в котором оно поступает к потребителям.
Иногда рассматривается нулевая гармоника, представляющая собой среднее значение синусоидального сигнала за определённый период. Наличие паразитных токов меняет его вид до неузнаваемости. Например, высшие гармоники в трехфазных цепях способны разбалансировать нулевую фазу. Высшими принято называть те, частота которых превышает 50 Гц. Бывают также нечетные и четные гармоники, что определяется их номером. Например, вторая является четной.
На изображении выше показаны гармоники тока и напряжения. Верхний график отображает их сумму. Фактически гармоника напряжения в электротехнике – это паразитическая ЭДС, которая попадает в сеть. Из-за своего нестандартного поведения она остаётся невостребованной электроприборами и играет негативную роль.
Фактически паразитные токи генерируются потребителями. Во время работы электроприборов происходят процессы, которые вносят активный вклад в формирование гармоник. Большинство устройств способно оказывать такое влияние на электросеть. В некоторых случаях гармонические составляющие электрического напряжения приводят лишь к краткосрочным искажениям.
Величину гармоники можно определить по формуле:
Эту формулу также используют для определения величины частоты и фазы какой-либо гармонической составляющей электросети или любого синусоидального сигнала.
Классификация
Существуют различные виды гармоник. Их делят не только по номеру, но и другим признакам:
Длительные изменения обычно связаны с регулярной циклической нагрузкой сети, если речь при этом идёт о мощных потребителях.
Источники возникновения гармоник
Обычно воздействие на электросеть создаётся мощными нелинейными нагрузками оборудования, подключенного к ней. Источниками чаще всего являются:
Влияние нелинейных нагрузок считается существенным при условии, что суммарная мощность составляет не менее 20% от нагрузочной способности электрической сети. Если указанное условие выполняется, необходимо принимать специальные меры для борьбы с искажениями.
Наносимый вред
На первый взгляд трудно определить, насколько гармоники влияют на работу электроприборов. Чтобы понимать, в чём состоит наносимый им вред, нужно принять во внимание следующее:
Чтобы исключить негативное влияние, необходимо принимать специальные защитные меры. Они снизят искажения и обеспечат стабильную работу электроприборов.
В качестве примера опасной ситуации, связанной с наличием паразитных токов, можно привести разбалансировку нулевого провода в трехфазном питании. Обычно нагрузки на каждую фазу являются симметричными. Они компенсируют друг друга и позволяют нулевому проводу выполнять свои функции.
Когда к одной из фаз подключается мощный потребитель, это приводит к возникновению гармоник. При этом не только меняется поведение конкретной фазы, но и соотношение других фаз, что способствует появлению разбалансировки. Поскольку симметрия нарушается, то взаимная компенсация фаз искажается и по нулевому проводу начинает идти ток.
Вследствие этого в бытовых розетках вместо 220 Вольт может быть значительно большая величина, что приводит к нарушению работы электроприборов, возникновению коротких замыканий или к другим последствиям.
Если не обращать должного внимания на описываемую здесь проблему, то это может привести к следующим последствиям:
Поэтому важно своевременно распознать проблему и принять меры для её устранения.
Как защититься от воздействия гармоник
Существуют стандартные схемы для защиты от так называемых паразитических гармоник. Их эффективность доказана на практике. Наиболее популярными являются следующие:
Чтобы применить защитные меры, сначала необходимо провести диагностику сети. Для этой цели применяются приборы проверки качества электроэнергии. Они обычно могут одновременно контролировать не менее 10 её характеристик. В частности, нужно определить полную мощность, а также активную, реактивную и гармоники, которые реально присутствуют в сети и их силу. Следует обратить внимание на наличие провалов или перенапряжений в электросети.
LC-фильтры
Наиболее часто используют защитные схемы, которые называют LC-фильтрами. Они состоят из линейного дросселя и конденсатора.
Катушка имеет индуктивное сопротивление, которое тормозит резкие изменения силы тока, создавая заряд, противоположный по направлению. Конденсатор сглаживает колебания напряжения. При его увеличении пластины накапливают заряд. Когда напряжение снижается, они отдают его. Таким образом замедляются перепады напряжения. Это уменьшает гармоническое искажение и, следовательно, эффект негативного воздействия.
При точном подборе параметров катушки и конденсатора фильтр будет полностью компенсировать воздействие одной конкретной гармоники и отчасти препятствовать влиянию других. Для максимальной эффективности необходимо использовать отдельные фильтры для каждой существующей в сети гармоники.
Ещё одна сложность состоит в том, что некоторые гармоники усиливают действие других. Например, гашение пятой усилит седьмую. Полный фильтр, созданный с использованием указанной схемы, должен учитывать их взаимное влияние.
Шунтирующий фильтр
Схема шунтирующего фильтра строится на использовании последовательного соединения катушки и конденсатора.
Чтобы подобрать наиболее эффективный способ защиты, необходимо детально проанализировать гармонические составляющие, нагрузку, коэффициенты амплитуды и мощности для конкретной сети.
Видео по теме
Что такое гармоники в электричестве
Корректная работа электроприборов, будь то бытовая техника или производственное оборудование, зависит от качества электроэнергии, о котором мы привыкли судить по стабильности напряжения и частоты, отсутствию резких скачков напряжения. При этом априори принято считать, что напряжение сети переменного тока изменяется строго по гармоническому закону и представляет собой идеальную синусоиду, однако это далеко не так.
На практике синусоидальные напряжения электрических сетей подвержены искажениям и вместо идеальной синусоиды на экране осциллографа мы видим искаженный, испещренный провалами, зазубринами и всплесками сигнал. Эти искажения следствие влияния гармоник – паразитных колебаний кратных основной частоте сигнала, вызванных включением в сеть нелинейных нагрузок.
Таким образом, реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного сигнала и его гармонических составляющих. Для определения величин гармоник используют преобразование Фурье, при помощи которого исходный сигнал разлагается на сумму гармонических сигналов. Уровень гармоник или уровень влияния нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентом нелинейных искажений.
Типы и источники появления гармоник
Для определения уровня искажения обычно рассматривают диапазон частот от 100 Гц (частота 2 гармоники) до 2000 Гц. Гармоническое искажение синусоидальных сигналов происходит благодаря двум типам паразитных колебаний:
Порожденные гармониками искажения происходят из-за нелинейных потребителей, вызывающих искажение фазных токов и, как следствие приводящих к нежелательным изменениям в фазных напряжениях. Типичным примером могут служить трехфазные трансформаторы, у которых длины магнитных путей для различных фаз отличаются почти вдвое, что требует различных величин (в полтора раза) токов намагничивания.
Другими источниками гармоник выступают электродвигатели, которые находят широкое применение как в трехфазных сетях питающих производственное оборудование, так и в бытовых однофазных (стиральные машины, кухонная бытовая техника, электроинструмент).
К источникам интергармоник можно отнести многочисленные импульсные блоки питания, оснащенные преобразователями частоты. Их сегодня используют повсеместно:
Они «насыщают» электрическую сеть колебаниями с частотами 20 кГц и даже выше, частоты некоторых современных ИБП могут достигать 150 кГц. Суммарное влияние интергармоник и высших гармонических колебаний вызывает появление помех.
Пятая гармоника имеет частоту в пять раз выше частоты основной гармоники. На рисунке отметки с цифрами.
Негативное воздействие и способы защиты
Появление гармоник в питающей сети не столь безобидно и может повлечь за собой вполне ощутимые последствия. Так они ведут к увеличению нагрева:
При возникновении гармоники на одной из фаз трехфазной сети, она может вызвать асимметрию, что отразится на корректной работе оборудования. Гармоники приводят к ложным срабатываниям распределительной и защитной аппаратуры (УЗО, автоматы, пускатели), что угрожает технологическим процессам и безопасности персонала. От возникновения высших гармоник страдает качество связи. Основным средством борьбы с гармониками является фильтрация, причем схему фильтра выбирают исходя из конкретных требований. Это могут быть фильтры, пропускающие только основную частоту, а могут быть последовательные LC цепочки, настроенные на определенные гармоники (например, на пятую гармонику) и подавляющие их.
Смотрите также другие статьи :
Для проведения измерений используем современное и высокоточное оборудование от компании METREL. По результатам работ вы получите полный отчет в соответствии с ГОСТ 32144-2013. Благодаря этому вы сможете оптимизировать не только сами электросети, но и работающее от них оборудование.
Гармоники образуют импульсные источники питания бесчисленной электробытовой техники, источники бесперебойного питания, энергосберегающие люминесцентные лампы и т.д. Характерной чертой симметричной трехфазной сети при сбалансированных нагрузках является сдвиг токов на 120°.
Гармонические составляющие сети. Что это такое и как с ними быть
2020-12-17 
Статьи 
2 комментария
Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети — высших гармониках, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это в свою очередь становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т.д.
Откуда же берутся эти гармонические составляющие?
Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность, емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.
Связано это в первую очередь с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.
Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих, так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники 3-го порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники 5-го порядка – 250 Гц и т.д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.
Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12 %. Также в этом ГОСТ приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для 3-ей гармоники это 5%, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.
Немного расчётов
Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total Harmonic Distorsions).
U (1) – действующее значение напряжения 1-ой гармоники
U (2), U (3) … U (40) – действующие значения напряжения высших гармоник.
Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты.
Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения
n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте
По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.
Основные характеристики гармоник
Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.
Последствия возникновения
Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей?
На самом деле негативных воздействий немало, это увеличение потерь в сетях, перегрев трансформаторов,перегрузки на нейтральных проводах, гармонические шумы, искажение формы синусоидальной кривой, перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности, поверхностный эффект. И это еще перечислены не все негативные последствия данного эффекта. Все эти факторы приводят в конечном итоге к экономическим, энергетическим потерям и сокращению срока службы оборудования.
Измерение показателей гармоник в сети
Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или по другому анализаторы качества электроэнергии.
Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии, таким как:
И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.
Кроме этого, анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы и выходы.
Способы уменьшения гармонических составляющих
На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.
К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей, применение изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник» и «звезда», применение пассивных и активных фильтров.
Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.
Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока, для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока.
Помимо дросселей широко применяются пассивные и активные фильтры.
Пассивный фильтр гармоник
Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).
Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.
Активный фильтр гармоник
Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.
Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.