Гармоническое искажение
Уровни гармонических искажений в электрических сетях возросли в последние годы из-за большого развития и использования силовой электроники. Гармонические искажения – обычная проблема в наши дни на заводах и предприятиях. Часто эта проблема вызвана статическими преобразователями, такими как преобразователи частоты для электродвигателей, устройства плавного пуска, выпрямители и системы бесперебойного питания. Гармонические искажения могут привести к перегреву кабелей и трансформаторов, отключению выключателей и компьютеров, и выходу из строя оборудования связи.
Перегрузка по току в конденсаторах: резонанс
При работе статических преобразователей часто требуется компенсация реактивной мощности при помощи конденсаторов. При установке оборудования компенсации реактивной мощности для использования совместно с формирующими гармоники преобразователями, явление резонанса может вызвать такие токи и напряжения высших гармоник, которые могут вывести из строя как конденсаторы, так и электроустановки.
Сопротивление конденсаторов уменьшается при увеличении частоты, обеспечивая тракт с низким сопротивлением для гармонического тока. Эти токи, в дополнение к основному току, могут привести к опасным перегрузкам на конденсаторах. Конденсатор коррекции коэффициента мощности образует параллельную цепь с индуктивным сопротивлением питающей сети и трансформатора. Гармонический ток, генерируемый статическим преобразователем, разделяется между обеими ветвями параллельной цепи, в зависимости от сопротивления цепи для этой гармоники.
Следует отметить, что ток, идущий через конденсатор и питающую сеть, может быть гораздо выше, чем генерируемый преобразователем, в зависимости от того, насколько его гармоническая частота близка к точке резонанса параллельной цепи. Это актуально для каждого гармонического тока, генерируемого преобразователем. Для конденсатора такая перегрузка по току может быть разрушительна. В худшем случае, когда частота любого гармонического тока статического преобразователя равна или приближена к резонансной частоте параллельной цепи, ток, протекающий через обе ветви, может чрезмерно увеличиться и повредить установку в целом.
Гармонические токи также ведут к повышению напряжения, негативно влияя на общее напряжение на конденсаторе. Ток для каждой гармоники, поглощаемой конденсатором, может быть рассчитан по следующей формуле:
Icn = In / [1 – Xc/n2Xl] = In / [Sk / n2Qc], где:
Icn – ток n-й гармоники, проходящий через трансформатор;
In – ток n-й гармоники, сформированный нагрузкой;
Xc – емкостное сопротивление конденсатора на основной частоте;
Xl – реактивное сопротивление короткого замыкания цепи на основной частоте;
Qc – реактивная мощность конденсатора;
Sk – мощность короткого замыкания питающей сети;
n – порядок гармоники.
Это уравнение показывает, что гармонические токи, идущие через конденсатор, могут быть очень высокими при определенных обстоятельствах. Наиболее опасной является ситуация, когда конденсатор и индуктивность питающей сети образуют резонансный контур. Это произойдет когда:
n = √ [Xc / Xl] = √[Sk / Qc]
Решения
Для выбора наилучшего способа коррекции коэффициента мощности в установке с нагрузками, формирующими гармоники, необходимо произвести точный анализ. Такой анализ включает в себя компьютерное моделирование электрической установки и требует полной информации о номинальной мощности и напряжении короткого замыкания в трансформаторе питания, мощности короткого замыкания сети, а также результатов контроля токов нагрузок, формирующих гармоники, за определенный период времени.
Поскольку такая информация не всегда бывает доступной, часто проводится упрощенный анализ на основе двух значений: номинальной мощности трансформатора питания и мощности нагрузок генерации гармоник.
В результате проведенного анализа и с учетом конечной цели проекта (коррекция коэффициента мощности, снижение уровня гармонических искажений и т.д.), возможными решениями являются следующие:
- Усиленные конденсаторы
Усиленные конденсаторы используются в том случае, если уровень гармонических искажений, даже сниженный, может приводить к опасным перегрузкам в конденсаторах, которые превышают допустимые значения безопасности по стандартам МЭК. Эти конденсаторы изготавливаются с усиленным диэлектриком, который обеспечивает высокую прочность при очень неблагоприятных условиях и может работать непрерывно при максимальном токе 1,7 In.
- Защитные фильтры
Защитные фильтры используются в распределительных сетях с высоким уровнем гармонических искажений, когда конечной целью является компенсация реактивной мощности на основной частоте. Они используются, чтобы избежать перегрузки конденсаторов гармоническими токами, отводя их от электросети. Защитные фильтры устанавливаются путем последовательного подключения реакторов к конденсаторам, таким образом, чтобы значение частоты настройки всего блока лежало между основной частотой и частотой нижней (как правило, 5-й) гармоники.
- Фильтры гармоник
Эти фильтры используются, когда основной целью является сокращение гармонического искажения питающей системы.
Проблемы, вызываемые гармониками
- Помехи в телекоммуникационных системах;
- Колебания напряжения сети;
- Нарушение работы электронных и вычислительных систем;
- Неустойчивая работа органов управления и защитных реле;
- Сбои работы трансформаторов и электродвигателей в силу перегрева, вызванного потерями на сердечнике;
- Перегрев и перегорание предохранителей.
_____________________
© Данный материал подготовлен на основе материалов компании International Capacitors S.A. (торговая марка LIFASA), партнера компании «НеоТех». Копирование данной статьи возможно только с согласия компании «НеоТех».
