Kvalita elektriny a problémy spôsobené harmonickými

Skryté tajomstvo spôsobuje v elektrickej inštalácii na použitie výrobných jednotiek a kancelárskych budov nevysvetliteľné javy, ktoré ovplyvňujú kvalitu elektrickej energie:

Preťaženie vodiča nulovou prácou
Nežiaduca činnosť ochranných zariadení
Prehriatie transformátorov pri miernom zaťažení
Deformácia krivky napätia
Preťaženie kondenzátora na korekciu účinníka
Prehriatie vodičov spôsobené filmovým efektom
Podťaženie motora spôsobené asymetriou napätia

Problém? harmonické.

Harmonické sú vedľajším produktom modernej elektroniky. Sú rozšírené najmä tam, kde existuje veľké množstvo výpočtových techník a pohonov s premenlivou rýchlosťou.

Prakticky všetky moderné elektrické a elektronické zariadenia majú spínané zdroje alebo riadia absorbovaný výkon tým či oným spôsobom, čo má za následok nelineárne zaťaženie.

Perfektný zdroj napájania je ten, ktorý je vždy k dispozícii, s napätím a frekvenciou v prípustných medziach a s dokonale sínusovou krivkou napätia.

Výpadky elektriny sú najdôležitejšou zložkou kvality dodávanej elektriny.

Nízka kvalita napätia je skrytým výdavkom. Spravidla je nezistená a nediagnostikovaná, pokiaľ nedôjde k nákladným poruchám.

Príčiny a účinky generované harmonickými

Keď hovoríme o harmonické v elektrických inštaláciách hovoríme hlavne o prúdoch, pretože harmonické sú výsledkom prúdov a väčšina škodlivých účinkov je týmito prúdmi spôsobená.

Harmonické frekvencie sú celočíselnými násobkami základnej napájacej frekvencie. Prekrytie harmonických prúdov nad základným prúdom spôsobuje nesínusové tvary vĺn spojené s nelineárnymi nábojmi.

Lineárne zaťaženie je pomerne zriedkavé, jediným príkladom sú nekontrolované žiarovky a nekontrolované vykurovacie systémy.

Obr. 1 - Problémy generované harmonickými

Na snímke obrazovky zobrazenej na obrázku vyššie zodpovedá zelená krivka aktuálnym harmonickým prítomným v inštalácii.

Červená krivka označuje skreslený signál sieťového napätia. Je zrejmé, že harmonický prúdový signál dosahuje vysoké amplitúdy, čo vedie k poklesu napätia.

Typy zariadení, ktoré generujú harmonické

Harmonické prúdy sú generované nelineárnymi zaťaženiami. Patria sem jednofázové a trojfázové úlohy, ako napríklad:

počítače, faxy, výbojky
elektronické predradníky pre žiarivky
malé zdroje neprerušiteľného napájania (UPS)
pohony s premenlivou rýchlosťou
veľké jednotky UPS
priemyselné oblúkové pece
nabíjačky (usmerňovače) pre elektrické akumulátory

Problémy spôsobené harmonickými prúdmi

1. Preťaženie vodiča nulovou prácou

V trojfázovom systéme sú krivky napätia každej fázy vzhľadom na neutrálny bod hviezdicového pripojenia fázovo posunuté o 120 °.

Ak je teda každá fáza rovnako nabitá, výsledný neutrálny prúd je nulový. Ak záťaže nie sú vyvážené, na neutrál sa prenáša iba výslednica súčtu spätných prúdov a do nulového vodiča sa pripočítajú harmonické prúdy s viacnásobnou hodnosťou tri.

To vedie k prúdu pretekajúcemu cez neutrál, ktorý je často na 120% - 130% fázových prúdov. Tento efekt je ilustrovaný na obrázku 2, kde sú fázové prúdy zobrazené v hornej časti fázovo posunuté na 120 °.

Obr. 2 - V neutrálnom vodiči sa zhromažďujú harmonické prúdy s viacnásobným stupňom tri

Jednoduchým riešením, pri ktorom sa používajú jednovodičové káble, je zdvojnásobenie úseku neutrálu buď ako dvoch samostatných vodičov, alebo ako jedného vodiča s väčším prierezom.

2. Prehriatie transformátorov pri miernom zaťažení

Transformátory sú ovplyvnené dvojcestnými harmonickými. Po prvé, Foucaultove prúdové straty, ktoré bežne tvoria asi 10% strát menovitého zaťaženia, sa zvyšujú o druhú mocninu harmonického poradia.

V praxi bude pre transformátor pracujúci pri menovitom výkone a napájajúci nelineárne zaťaženie celkové straty dvakrát väčšie ako pri lineárnom zaťažení.

Výsledkom je oveľa vyššia teplota, ktorá vedie k zodpovedajúcemu zníženiu životnosti.

Obr. 3 - Infračervený obraz prehriateho transformátora pri miernom zaťažení

Druhý efekt sa týka harmonických s viacnásobnou úrovňou troch. Nachádzajú sa vo všetkých fázach vinutia transformátora s trojuholníkovým zapojením, vo vinutiach majú kruhovú dráhu.

Harmonické prúdy s viacnásobnou klasifikáciou tri sú efektívne absorbované vinutím a nešíria sa do napájacieho zdroja.

Transformátory na vinutie trojuholníka sú teda užitočné ako izolačné transformátory. Je potrebné poznamenať, že ostatné harmonické, ktoré nemajú viacnásobné poradie tri, prechádzajú vinutím.

3. Nežiaduca činnosť ochranných zariadení

Prúdové chrániče (RCD) pracujú na súčte fázových a neutrálnych prúdov a ak rozdiel nie je pod stanovenou hranicou, odpojte záťaž.

Za prítomnosti harmonických môže dôjsť k predčasnému vypnutiu z dvoch dôvodov. Po prvé, istič, ktorý je elektromechanickým zariadením, nemusí správne zostaviť vysokofrekvenčné komponenty. Vo výsledku sa spúšťa nesprávne.

Po druhé, typ zariadenia, ktoré generuje harmonické, tiež produkuje šum v dôsledku prepínania, ktoré musí byť filtrované pred pripojením k zdroju napájania.

Filtre používané na tento účel majú obvykle kondenzátor medzi fázou a zemou a medzi neutrálnym vodičom a zemou. V dôsledku toho dôjde k malému úniku do zeme.

Neúmyselné vypnutie ističov je zvyčajne spôsobené prúdmi v obvode, ktoré sú vyššie ako vypočítané alebo namerané prúdy, kvôli prítomnosti harmonických prúdov.

Väčšina prenosných prístrojov nemeria skutočnú skutočnú hodnotu a môže podhodnotiť nesínusové prúdy o 40%.

4. Preťaženie kondenzátorov na korekciu účinníka

Kondenzátory na korekciu účinníka sú určené na generovanie prúdu fázového posuvu

Obr. 4 - Kondenzátory poškodené prítomnosťou harmonických v inštalácii

pred napätím na kompenzáciu fázovo posunutého prúdu spôsobeného indukčnou záťažou, napríklad asynchrónnym motorom.

Impedancia kondenzátora klesá s rastúcou frekvenciou, zatiaľ čo impedancia zdroja, ktorý je všeobecne indukčný, rastie s frekvenciou.

Je preto pravdepodobné, že kondenzátorom budú prechádzať veľmi vysoké harmonické prúdy a ak nie je navrhnutý tak, aby vydržali, môže dôjsť k poškodeniu.

Potenciálne vážnejším problémom, ktorý sa môže vyskytnúť pre alebo blízko harmonickej frekvencie, je rezonancia medzi kondenzátorom a únikovou reaktanciou energetického systému (ktorý sa samozrejme môže vyskytnúť pri frekvenciách v rozmedzí 100 Hz).

Ak k tomu dôjde, môžu sa generovať veľmi vysoké napätia a prúdy, ktoré často vedú k katastrofickému poškodeniu kondenzátora (ako na obrázku 4).

Rezonancii sa dá vyhnúť vložením cievky do série s kondenzátorom, takže kombinácia zostane indukčná, prinajmenšom pre významné harmonické s najnižšou úrovňou.

Toto riešenie tiež obmedzuje harmonický prúd, ktorý môže prúdiť v kondenzátore. Indukčnosť cievky môže byť problémom, najmä ak sú prítomné nízko kvalitné harmonické.

5. Prehriatie vodičov spôsobené filmovým efektom

Striedavý prúd má tendenciu prúdiť na povrch vodiča. Tento jav je známy ako filmový efekt a je výraznejší pri vysokých frekvenciách.

Filmový efekt sa zvyčajne ignoruje, pretože má veľmi malý účinok pri nominálnej napájacej frekvencii, ale pri frekvencii nad 350 Hz, tj od harmonickej 7, sa stáva dôležitý filmový efekt, ktorý spôsobuje ďalšie straty a zahrievanie napájacích vodičov (ako na obrázku 5). ).

Ak existujú harmonické prúdy, musia návrhári zohľadniť filmový efekt a zodpovedajúcim spôsobom vyložiť káble. Tento problém pomáha vyriešiť použitie viacžilových káblov alebo valcovaných tyčí.

Obr. 5 - Prehriatie vodičov v dôsledku filmového efektu

6. Deformácia krivky napätia

Deformovaný záťažový prúd generovaný nelineárnym zaťažením spôsobuje deformovaný pokles napätia na impedancii káblov.

Výsledné deformované napätie sa aplikuje na všetky záťaže pripojené k rovnakému obvodu, čím sa vytvárajú harmonické prúdy, ktoré nimi pretekajú, aj keď ide o lineárne záťaže, ako je znázornené na obrázku 6.

Obr. 6 - Deformácia krivky napätia

Pri analýze úrovne skreslenia harmonického napätia musíme pamätať na to, že keď sa záťaž preruší na UPS alebo záložný generátor počas prerušenia, impedancia zdroja a výsledné skreslenie napätia sú oveľa vyššie.

7. Preťaženie motora spôsobené asymetriou napätia a harmonickými napätiami

Harmonické napätia spôsobujú zvýšenie Foucaultových strát prúdu v indukčných motoroch,

Obr. 7 - Prehriatie motorov v dôsledku harmonických napätí

rovnakým spôsobom ako v prípade transformátorov.

Okrem toho dochádza k ďalším stratám v dôsledku vytvárania harmonických polí v statore, z ktorých každé má tendenciu otáčať motor rôznymi rýchlosťami v jednom alebo druhom smere.

Vysokofrekvenčné prúdy indukované rotorom vedú k ďalšiemu zvyšovaniu strát a teploty vinutia, ako je to na obrázku 7.

závery

Tieto udalosti týkajúce sa energetickej kvality narúšajú mnoho citlivých procesov a skracujú životnosť zariadení, čo vedie k zbytočným výdavkom v podobe implementovaných riešení nesprávne diagnostikovaných problémov.

Presná povolená odchýlka od dokonalého napájacieho zdroja závisí od aplikácie používateľa, typu inštalovaného zariadenia a jeho vnímania potrebných podmienok.

Elektrický priemysel má tendenciu hodnotiť výpadky vo vzťahu k nákladom na nedodanú elektrinu.

Spotrebiteľ to hodnotí vo vzťahu k stratám vo výrobe spôsobeným prerušeniami.

Straty vo výrobe môžu byť veľmi významné a doba nedostupnosti na prípravu zariadení na obnovenie výroby je veľmi dlhá a vyžaduje vysoké náklady.

odporúčanie

Cieľom je identifikovať miesta, kde môže dôjsť k prerušeniu, a eliminovať ich poskytnutím náhradné vybavenie (nadbytočné) alebo alternatívne trasy zásobovania.

Činnosť tak môže pokračovať v prípade jediného incidentu. Hlavné metódy používané na obmedzenie týchto účinkov zahŕňajú inštalácia filtračného alebo izolačného systému (separačné transformátory).

Záložné zdroje a systémy UPS, nevyhnutné na pokrytie krátkodobých a dlhodobých výpadkov sú základnými prvkami systému, ktorý je schopný vyrovnať sa s výkyvmi v dodávke elektriny.

Akonáhle sú harmonické kmity „pod kontrolou“, straty výkonu zmiznú a súčasne je výkon poskytovaný sieťou k dispozícii pre ďalšie úlohy.

Preto sa optimalizuje energia dodávaná z elektrickej siete, čím sa znížia náklady na energiu.

Zaistenie dobrej kvality elektrickej energie si vyžaduje dobrý počiatočný návrh, efektívne korekčné zariadenie, spoluprácu s dodávateľom, časté sledovanie a dobrú údržbu..

Inými slovami, vyžaduje si komplexný prístup a dobré pochopenie zásad a postupov zlepšovania kvality elektrickej energie.