Генерация гармоник в промышленных условиях и меры по их снижению
2025-09-19
Гармоники — это компоненты, полученные путем разложения периодических несинусоидальных переменных величин в ряд Фурье, каждая из которых превышает основную частоту на целое кратное. Их обычно называют гармониками высшего порядка, тогда как основная частота — это компонент, имеющий ту же частоту, что и частота сети (50 Гц). Когда гармонические токи в сети становятся значительными, это называется загрязнением сети. В таких условиях загрязнения сети все оборудование и нагрузки в сети подвергаются неблагоприятному воздействию.
Причины возникновения гармоник в промышленных системах
Гармоники, вызванные источником питания. Гармоники существуют с момента появления электрических сетей и возникают из-за производственных допусков, которые приводят к тому, что распределение плотности магнитного потока по поверхности якоря слегка отклоняется от синусоидальной волны. Это приводит к появлению токовых волн, которые являются незначительно несинусоидальными, причем эти гармонические компоненты влияют на сеть только в случаях многоисточникового питания. Силовые трансформаторы также генерируют незначительные гармоники из-за нелинейности их кривых намагничивания.
Генерирование нелинейными нагрузками. Основная причина генерации гармоник связана с нелинейными нагрузками. Когда ток протекает через такие нагрузки, он демонстрирует нелинейную зависимость от приложенного напряжения, что приводит к появлению несинусоидальных токов, которые генерируют гармоники. Электрические нагрузки, такие как частотно-регулируемые приводы, устройства плавного пуска, стабилизаторы напряжения и электронные люминесцентные лампы, являются нелинейными нагрузками, которые являются основными источниками гармоник в промышленных условиях.
С развитием и прогрессом технологий тиристорное выпрямление нашло все более широкое применение во многих областях, таких как источники бесперебойного питания, стабилизаторы напряжения и системы автоматического управления, что приводит к значительным гармоническим искажениям в электросети. Что касается напряжения питания в энергосистемах, его форма волны может считаться по существу синусоидальной. Однако тиристорные выпрямители используют фазовое регулирование, извлекая из сети усеченную синусоидальную волну. В результате они также передают в сеть периодические несинусоидальные волны. Любая повторяющаяся форма волны может быть разложена на синусоидальные компоненты, состоящие из основной частоты и ряда гармоник, которые являются целочисленными кратными этой основной частоты. Таким образом, токи в сети содержат значительное количество гармоник. Выпрямительные устройства являются основным источником гармоник в сети. Получая токи высоких гармоник от источника питания, эти устройства вызывают падение напряжения импеданса в цепях питания, тем самым вводя компоненты высоких гармоник во всю сеть.
Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) являются еще одним значительным источником гармонических помех в промышленных условиях. Регулирование скорости с помощью ЧРП широко применяется на предприятиях, обычно в таких устройствах, как вентиляторы, насосы и ленточные весовые дозаторы. Частотно-регулируемый привод — это устройство, которое преобразует электричество сетевой частоты в переменный ток различных частот, чтобы обеспечить работу двигателя с переменной скоростью. Его управляющая цепь управляет основной цепью, а выпрямительная цепь преобразует переменный ток в постоянный. Промежуточная цепь постоянного тока сглаживает и фильтрует напряжение постоянного тока, выдаваемое выпрямительной цепью, а инверторная цепь преобразует постоянный ток обратно в переменный. Из-за широкого использования нелинейных тиристоров источник питания ЧРП представляет собой типичную нелинейную нагрузку. Используя фазовое управление, ЧРП потребляет ток из сети импульсным образом. Этот импульсный ток вызывает искажение напряжения в сети, вводя гармонические компоненты. С развитием регулирования скорости с переменной частотой, в результате гармоническое загрязнение сети становится все более серьезным.
Мягкие пускатели также способствуют гармоническому загрязнению. В мощном оборудовании, таком как вентиляторы и компрессоры, для запуска и выключения используются мягкие пускатели, поскольку эти устройства используют три пары обратно-параллельных тиристоров для регулирования переменного напряжения. Поскольку тиристоры по своей природе являются нелинейными компонентами, их работа генерирует значительные гармоники, что негативно влияет как на стабильную работу оборудования, так и на электросеть.
Системы освещения также генерируют гармоники. Люминесцентные лампы, энергосберегающие лампы и газоразрядные лампы, широко используемые сегодня на предприятиях, относятся к категории нелинейных нагрузок. Хотя они способствуют экономии энергии, они также вносят значительные гармоники в энергосистему. Для получения дополнительной информации посетите: Сеть оборудования для передачи и распределения электроэнергии
Вред, причиняемый гармониками
В зонах распределения, где сосредоточено оборудование, генерирующее гармоники, гармоническое загрязнение особенно сильно, что приводит к заметному снижению эффективности электроснабжения. Влияние гармоник на оборудование и нагрузки энергосистемы проявляется в основном в двух аспектах: (1) тепловая нагрузка; (2) повреждение нагрузки. Гармоники увеличивают потери в оборудовании, усугубляя тем самым тепловую нагрузку. Искажение напряжения вызывает увеличение пиковых значений напряжения, что может привести к пробою изоляции
Все оборудование, подключенное к сети электропитания, будет испытывать повышенные потери и повышенный рост температуры. Гармонические искажения влияют на двигатели не только путем индуцирования дополнительных потерь, но и путем генерации механических вибраций, шума и перенапряжений. Это приводит к снижению крутящего момента двигателя, перегреву и потенциальному перегоранию двигателя.
Из-за высокой частоты гармоник, гармонические токи от источников гармоник, поступающие в трансформаторы, увеличивают как медные потери, так и потери в железе. Это снижает мощность трансформатора. Одновременно с ростом частоты гармоник усиливается скин-эффект, что еще больше увеличивает потери в железе. В результате в трансформаторе возникает локальный перегрев, сокращающий срок его службы.
Гармоники могут вызывать перегрев и перенапряжение в силовых конденсаторах, используемых для компенсации. Гармонические напряжения вызывают дополнительные потери мощности в конденсаторах. Емкостное сопротивление шунтирующих конденсаторов уменьшается с увеличением частоты гармоник, что приводит к перегрузке по току, ускоряющей старение изоляции и повышающей риск пробоя изоляции. Кроме того, если емкость неправильно согласована с индуктивностью цепи, вблизи определенных гармонических частот может возникнуть резонанс, что приведет к дальнейшему искажению напряжения в сети.
Гармоники влияют на точность измерения измерительных трансформаторов. Источники гармоник преобразуют часть поглощаемой ими энергии сети в гармоническую энергию, которая затем возвращается в сеть. В результате электросчетчики рассчитывают эту гармоническую энергию как выработанную энергию, что приводит к ошибкам в измерениях и дополнительным затратам для предприятий.
Точное электронное оборудование может подвергаться сильным помехам, что приводит к его выходу из строя или даже к перегоранию. Во время коммутации форма тока выпрямителя подвергается резким изменениям. Этот коммутационный ток вводит импульсное напряжение в стандартное напряжение питания, которое содержит высокочастотные гармоники. В результате это вызывает электромагнитные помехи, которые значительно влияют на линии связи и оборудование.
Поскольку механизмы релейной защиты рассчитаны на работу на основе изменений синусоидальных волн частоты сети, сильное искажение формы волны негативно влияет на функционирование различных устройств защиты и автоматического управления. Это может привести к сбоям в работе или отказу систем релейной защиты и автоматического управления, что повлияет на автоматизированные производственные процессы. Чрезмерные токи нулевой последовательности третьей гармоники могут вызвать ложное срабатывание устройств защиты от замыкания на землю.
Меры по смягчению гармоник
Тенденция в области потребления электроэнергии заключается в сочетании высокоэффективного использования с высококачественным энергоснабжением. Первоочередной задачей является снижение гармоник для улучшения качества электроэнергии, а затем — энергосбережение. Снижение гармоник представляет собой комплексный процесс управления: с одной стороны, оно требует решения проблемы у источника путем усиления управления оборудованием для предотвращения генерации гармоник; с другой стороны, что еще более важно, оно требует повышения осведомленности и активных мер по снижению гармоник для предотвращения потенциального ущерба. В настоящее время некоторые отечественные предприятия начали уделять приоритетное внимание проблеме гармонического загрязнения, достигая двойной выгоды в виде экономии энергии и улучшения качества электросети.
Основные подходы к решению проблемы загрязнения от силовых электронных устройств и других источников гармоник включают две стратегии: во-первых, установка оборудования для компенсации гармоник, а именно пассивных настроенных фильтров, состоящих из LC-цепей; во-вторых, модификация самих силовых электронных устройств путем усовершенствования выпрямительных устройств и использования многофазного импульсного выпрямления для минимизации генерации гармоник. Поскольку ток и напряжение находятся в фазе, они называются выпрямителями с высоким коэффициентом мощности или преобразователями с высоким коэффициентом мощности. Устройства компенсации гармоник по-прежнему широко используются благодаря их способности как смягчать гармоники, так и повышать коэффициент мощности сети, а также благодаря их простой конструкции. Их недостаток заключается в том, что они могут компенсировать только гармоники фиксированной частоты, а их компенсационные характеристики ограничены индуктивным сопротивлением сети. Следовательно, их эффективность компенсации не идеальна, но они по-прежнему остаются основным средством смягчения гармоник.
В настоящее время значительной тенденцией в области подавления гармоник является внедрение активных фильтров мощности. Их основной принцип заключается в мониторинге токов в сети в режиме реального времени, быстрой изоляции гармонических составляющих тока, выдаче команд управления и генерации компенсационных токов равной величины, но противоположного направления для ввода в сеть, что позволяет достичь мгновенной фильтрации гармонических токов. Эта технология фильтрации позволяет отслеживать и компенсировать гармонические токи, которые варьируются как по частоте, так и по амплитуде. Ее работа не зависит от состояния системы и не вызывает усиления гармоник. Одновременно она компенсирует реактивную мощность и улучшает коэффициент мощности, представляя собой относительно передовую технологию подавления гармоник. Однако из-за более высокой стоимости она подходит только для применения в системах компенсации гармоник малой мощности.
Заключительные замечания
С технологическими обновлениями и модернизацией оборудования на предприятиях все более широкое распространение нелинейного электрооборудования усугубило гармонические искажения в энергосистемах. Это явление не только наносит ущерб электрооборудованию, ускоряет износ изоляции и приводит к опасным инцидентам, таким как пожары, но и нарушает нормальную работу автоматизированных устройств управления, включая компьютеры и программируемые логические контроллеры. Как следствие, это напрямую мешает повседневной производственной деятельности и повседневной жизни. Следуя принципу «загрязнитель несет ответственность», предприятия должны увеличить инвестиции, обеспечить рациональное использование электроэнергии и снизить загрязнение энергосистемы. Это позволит другим пользователям энергосистемы получить доступ к чистой электроэнергии, что является выполнением социальной ответственности, которую должны нести предприятия.
Ссылки:
[1] Ван Чжань, Хуан Цзюнь. Технология силовой электроники [М]. Пекин: Китайский электрический пресс, 2003.
[2] Song, W. N., & Liu, B. R. (1995). Гармонический анализ в энергетических системах. Пекин: Издательство «Водные ресурсы и электроэнергия».
