О гармониках и их устранении

Thread Content

1. Что такое гармоники? Основной причиной возникновения гармоник в электроэнергетической системе являются нелинейные нагрузки. Когда ток протекает через нагрузку, его величина не соответствует линейной зависимости от приложенного напряжения; это приводит к возникновению несинусоидального тока, а значит, и гармоник. Частота гармоник является целым кратным частоте основной волны. Согласно принципам анализа, разработанным французским математиком М. Фурье, любая периодическая волна может быть разложена на синусоидальные составляющие, содержащие частоту основной волны и ряд гармоник, являющихся кратными этой частоте. Гармоники — это синусоидальные волны; у каждой гармоники есть своя частота, амплитуда и фазовый угол. Гармоники можно разделить на четные и нечетные. Гармоники с номерами 3, 5, 7 являются нечетными гармониками, в то время как гармоники с номерами 2, 4, 6, 8 — четными. Например, если основная частота составляет 50 Гц, то частота 2-й гармоники будет 100 Гц, а частота 3-й гармоники — 150 Гц. В общем случае вред, вызванный нечетными гармониками, больше и серьезнее, чем вред, вызванный четными гармониками. В сбалансированной трехфазной системе из-за симметрии четные гармоники устраняются, и существуют только нечетные гармоники. Для трехфазных нагрузок с выпрямлением гармонические токи представляют собой гармоники 6n±1 порядка, такие как 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т. д. Частотный преобразователь в основном генерирует гармоники 5-го и 7-го порядков. “Термин «гармоника» происходит из акустики. Математический анализ гармоник был хорошо заложен в XVIII и XIX веках. Метод анализа гармоник, предложенный Фурье и другими, по-прежнему широко применяется. Проблема гармоник в электроэнергетических системах привлекла внимание ещё в 1920-х и 1930-х годах. В то время в Германии из-за использования трансформаторов с неподвижным ртутным дуговым элементом происходила деформация формы напряжения и тока. Статья Дж. К. Рида 1945 года о гармониках преобразователей является одной из классических работ раннего периода по исследованию гармоник. В 50-х и 60-х годах, благодаря развитию технологий передачи электроэнергии по постоянному току высокого напряжения, было опубликовано множество статей, посвященных проблеме гармоник в электроэнергетических системах, возникающей из-за использования преобразователей. С 70-х годов, благодаря стремительному развитию технологий электроники управления электроэнергией, различные устройства этой категории находят все более широкое применение в электроэнергетических системах, промышленности, транспорте и быту. В результате этого ущерб, наносимый гармониками, становится все более серьезным. Страны всего мира уделяют проблеме гармоник должное внимание. На международном уровне было проведено множество научных конференций, посвященных проблеме гармоник. Многие международные научные организации разработали стандарты и правила, направленные на сокращение воздействия гармоник в электросетях и электрооборудовании. Значение исследования гармоник заключается в том, что они представляют серьезную опасность. Гармоники снижают эффективность производства, передачи и использования электроэнергии, приводят к перегреву электрического оборудования, возникновению вибраций и шума, ускоряют старение изоляции, сокращают срок её службы, а также могут вызывать сбои или полный разрушение оборудования. Гармоники могут вызывать локальную параллельную или последовательную резонансную частоту в электроэнергетической системе, что приводит к увеличению содержания гармоник и может привести к повреждению таких устройств, как конденсаторы. Гармоники также могут привести к неправильной работе релейных защитных устройств и автоматических систем, что вызывает путаницу в измерении электроэнергии. За пределами электроэнергетической системы гармоники вызывают серьезные помехи в работе коммуникационного и электронного оборудования. 2. Для устранения проблемы гармонического загрязнения, возникающей из-за электронных устройств и других источников гармоник, существует два основных подхода: один из них заключается в использовании устройств для компенсации гармоник, что применимо к любым источникам гармоник ； Другой подход заключается в модификации самих устройств электроники управления током таким образом, чтобы они не генерировали гармоник, а коэффициент мощности можно было установить равным 1. Конечно, это применимо только к тем устройствам электроники управления током, которые являются основными источниками гармоник. Традиционным способом установки устройств компенсации гармоник является использование LC-резонансных фильтров. Этот метод позволяет компенсировать как гармоники, так и реактивную мощность; к тому же он имеет простую конструкцию, поэтому широко используется. Основным недостатком этого метода является то, что характеристики компенсации зависят от импеданса сети и её рабочего состояния. Это может привести к возникновению параллельной резонансной частоты в системе, в результате чего усиливаются гармоники. Это в свою очередь может привести к перегрузке фильтра LC или даже его повреждению. Кроме того, он может компенсировать только гармоники с фиксированной частотой, причем эффект компенсации не очень хороший. 3. Компенсация реактивной мощности. Людям легко понять, что такое активная мощность, но глубоко осмыслить реактивную мощность — совсем не так просто. В синусоидальных цепях понятие реактивной мощности ясно определено, однако при наличии гармоник до сих пор не существует общепринятого определения реактивной мощности. Однако мнение о важности понятия реактивной мощности и о значимости её компенсации остается единым. Коррекция реактивной мощности должна включать коррекцию реактивной мощности основной частоты и коррекцию реактивной мощности гармоник. Реактивная мощность имеет огромное значение как для работы электроснабжающей системы, так и для нагрузок. Импеданс сетевых элементов электроэнергетической системы в основном является индуктивным. Следовательно, грубо говоря, для передачи активной мощности необходима фазовая разница между напряжениями на стороне передачи и на стороне приема, что можно обеспечить в довольно широких пределах ； Чтобы передавать реактивную мощность, необходимо наличие разницы в амплитудах напряжений на обоих концах, что можно достичь только в довольно узком диапазоне. Не только большинство сетевых компонентов потребляют реактивную мощность, но и большинство нагрузок также требуют её. Реактивная мощность, необходимая сетевым элементам и нагрузкам, должна поступать от какого-либо источника в сети. Очевидно, что неработающая мощность, если её все нужно обеспечивать за счет генераторов и передавать на большие расстояния, является неразумной и, как правило, невозможной. Разумным подходом является генерация реактивной мощности там, где она требуется, что и представляет собой компенсацию реактивной мощности. Основные функции компенсации реактивной мощности заключаются в следующем: (1) повышение коэффициента мощности в системе электроснабжения и у потребителей, снижение необходимой мощности оборудования и уменьшение потерь мощности. (2) Стабилизация напряжения на терминале приема электроэнергии и в сети, повышение качества электроснабжения. Установка устройств динамической компенсации реактивной мощности в подходящих местах на линиях дальней передачи также может способствовать повышению стабильности системы передачи электроэнергии и её пропускной способности. (3) В случаях, когда нагрузка на трехфазные цепи, такие как электрифицированные железные дороги, несбалансирована, с помощью соответствующих реактивных компенсаторов можно сбалансировать активную и реактивную нагрузку на всех трех фазах.