Гармоники электрической системы

Конкретная причина, по которой электрические компании считают гармоники плохими, заключается в том, что они должны их поставлять (что означает в среднем немного более толстый кабель), И они обычно не могут выставить счет пользователю за них. Конечно, есть исключения (для потребителей с более высокой энергией), и им рекомендуется (из-за стоимости их счета) поддерживать низкий уровень гармоник и коэффициент мощности как можно ближе к единице.

Гармоника — это термин, который почти всегда применяется к нелинейной нагрузке, искажающей обычно синусоидальный ток нагрузки. По сути, это не более высокое энергопотребление, но это означает, что инфраструктура должна быть в состоянии справиться с основными оплачиваемыми токами и, как правило, неоплачиваемыми гармониками:

Следующее может помочь понять нелинейные нагрузки и то, как они генерируют гармоники.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Рисунок 1. Простой мостовой выпрямитель, сглаживающий конденсатор и резистивная нагрузка.

Схема на рисунке 1 должна быть достаточно простой для понимания. Когда верхний вход переменного тока положительный, ток течет через D2, R1 и D3 обратно к другой линии переменного тока. С1 заряжается и поддерживает напряжение на нагрузке. Для инженера-механика это было бы аналогично наличию двух импульсных гидравлических источников, четырех обратных клапанов (D1-4), ресивера высокого давления (C1) и нагрузки (R1).

Из вышеизложенного следует видеть, что ток (поток) при первом импульсе будет соответствовать давлению подачи, но при последующих импульсах ток не будет течь до тех пор, пока пластовое давление не превысит давление подачи. В результате требуемый ток течет импульсами — см. черные кривые на рис. 2.

Рисунок 2. Выпрямленный переменный ток (красный), напряжение конденсатора (синий) и ток выпрямителя (черный). Переменный ток (слева от выпрямителя на рисунке 1) будет похож на черную кривую, за исключением того, что каждый полупериод будет чередоваться выше и ниже линии.

Также должно быть интуитивно понятно, что, поскольку выпрямитель выдает ток импульсами, пиковый ток может во много раз превышать средний ток.

Поскольку любая периодическая волна может быть сформирована путем добавления синусоидальной волны основной частоты и ее гармоник (в различных количествах), искаженное потребление тока создает гармоники в подаче тока.

Рисунок 3. Эта потрясающая иллюстрация преобразования Фурье Лукаса В. Барбозы на странице преобразования Фурье в Википедии показывает преобразование периодического сигнала из временной области в частотную область. Частотный график показывает относительную силу гармоник с ясностью, которую нельзя было получить, глядя на временной график.

Если вы понимаете, как роликовый подшипник создает импульсы от неровных поверхностей, то вы можете себе представить, что ток получает удары и гармоники из-за неравномерного импеданса. Это приводит к большему нагреву и износу. В магнетизме, как только сила достигает насыщения, подобно пружине, она резко возрастает, вызывая повреждения из-за избыточного тока.

Нелинейное поведение всех магнитных сердечников похоже на люфт в ременном приводе, но, возможно, более плавное. Гистерезис и жесткость или крутой наклон одних по сравнению с другими, которые более плавны в двигателях всех типов, влияют на количество генерируемых гармоник. Кроме того, источники питания SMPS теперь должны быть скорректированы по коэффициенту активной мощности, если для больших источников переменного/постоянного тока в стандартах IEC. Коэффициент нелинейных искажений 50 % снижает коэффициент мощности на 10 %, что увеличивает накопленную в сети энергию и увеличивает потери проводимости.

Гармоники также генерируются импульсами тока сетевой частоты, такими как старые линейные линейные источники питания с конденсаторами диодного моста, которые на входе не являются линейными. Ток заряжается только на ~ 10% или <30% в зависимости от нагрузки и номинала, а затем разряжается на регуляторы в остальное время между каждым полупериодом. Эти импульсы создают более опасные четные гармоники, которые добавляются к фазе в нейтральном проводе трансформатора, в то время как нечетные гармоники имеют тенденцию подавляться в дифференциальном режиме или в трехфазной системе с треугольником. (идеальные 50% прямоугольных волн не имеют четных гармоник)

Таким образом, гармоники подобны ударам в импедансе поверхности роликового подшипника , которые добавляют избыточное тепло, силы напряжения, снижают эффективность, изоляционные свойства, что приводит к сокращению срока службы и повышению стоимости владения.