Введение в Гармоники: Часть 1

Официальный поставщик продукции Leroy-Somer

Колин Харгис, главный инженер Control Techniques, предлагает введение в гармонику в этом блоге, состоящем из двух частей. Вторая часть доступна здесь.

Этот блог представляет собой введение в тему гармоник электрической мощности с особым упором на преобразователи частоты вращения. Его цель — объяснить, что это такое и что они делают в простых терминах, и отличить их от других эффектов электромагнитной совместимости (ЭМС), таких как радиочастотные помехи и электрический “шум”.

Для простоты в примерах в основном предполагается частота питания 50 Гц. Если вы работаете в области, использующей частоту 60 Гц, то вам нужно будет соответствующим образом масштабировать частоты.

Гармоника периодической функции имеет частоту, которая является целым числом, кратным частоте функции (которая является фундаментальной). В электроэнергетике эта идея используется в первую очередь для того, чтобы помочь в понимании эффекта нелинейных силовых нагрузок, когда источник напряжения синусоидальный, но ток искажен, хотя и с тем же периодом. Используя концепцию ряда Фурье, мы можем представить искаженную периодическую форму сигнала как сумму ряда гармоник.

Например, простой однофазный мостовой выпрямитель потребляет ток, представляющий собой серию коротких импульсов на пиках напряжения, как показано на рисунке 1;

Рисунок 1: Форма сигнала тока для простого однофазного мостового выпрямителя

Ток может быть проанализирован на составляющие его частоты. Он состоит из ряда гармоник нечетного порядка, как показано на рисунке 2;

Рисунок 2: Частотный анализ тока на рисунке 1

Преимущество этого анализа заключается в том, что поведение электрических компонентов легче всего понять и определить в терминах конкретных синусоидальных частот.

В этом случае при частоте сети 50 Гц вы можете видеть, что гармонические токи порядка примерно 30, т.е. 1500 Гц, довольно значительны. Кроме того, они быстро уменьшаются. Гармоники более низкого порядка порядков 3, 5, 7 и 9 действительно высоки по амплитуде и не намного меньше основной (50 Гц).

Если отрицательный и положительный полупериоды имеют одинаковую форму, то присутствуют только нечетные гармоники. В трехфазных цепях питания тройные n гармоники (3, 6, 9, 12 и т.д.) также отсутствуют, поскольку они синфазны, а синфазные токи блокируются в трехпроводной цепи.

Истинная гармоника может иметь только частоту, которая является точным целым числом, кратным основной. Большинство простых нелинейных устройств, таких как выпрямители и магнитные компоненты с железным сердечником, генерируют истинные гармонические токи.

В современных силовых электронных схемах, использующих активную коммутацию, которая может не синхронизироваться с частотой питания, могут присутствовать новые частоты, которые не являются истинными гармониками. Например, как я проиллюстрировал в блогах № 4 и 5 о регенеративных приводах, инвертор, работающий с частотой переключения 4 кГц при питании 60 Гц, генерирует токи с частотами 3880 Гц и 4120 Гц, а также многие другие, которые не являются целыми кратными 60 Гц и, следовательно, не являются истинные гармоники. Правильный термин для них — интергармоника. Они по-прежнему являются нежелательными частотами, и некоторые из их эффектов такие же, как и для гармоник, поэтому в общем обсуждении их можно называть просто “гармониками”. Это может вызвать путаницу, поэтому лучше всего уточнить, говорим ли мы об истинных гармониках или о всевозможных искажениях.

Снова обратившись к рисункам 1 и 2, мы имеем выпрямитель, подключенный к электросети. Источник питания синусоидальный и имеет единую частоту 50 Гц. Выпрямитель генерирует гармонические токи, которые протекают в источнике питания. Выпрямитель является источником тока на гармонических частотах, который излучается обратно в источник питания и распространяется по всей энергосистеме. Рисунок 3 иллюстрирует это. Гармонический ток излучается нагрузкой и вызывает гармоническое напряжение в импедансе источника питания. Напряжение испытывают другие потребители электроэнергии, подключенные к той же точке общего соединения (PCC).

Рисунок 3: Распространение гармоник в электрической сети

Гармоники имеют частоты в диапазоне от 100 Гц до примерно 2500 Гц (обычно мы останавливаемся примерно на 50-м порядке, но некоторые авторитетные источники рассматривают 100 или даже 200. Стандарт для измерения гармоник останавливается на 9 кГц). Первый интересный момент заключается в том, что это очень низкие частоты в электромагнитном спектре. Это проиллюстрировано спектром, показанным на рисунке 4;

Рисунок 4: Упрощенный электромагнитный спектр, показывающий положение гармоник мощности

Обычно считается, что “радиочастота” начинается с 9 кГц, и на самом деле существует очень мало приложений для радиосвязи ниже примерно 100 кГц из-за сложности генерации полезной электромагнитной волны. Это означает, что гармоники не распространяются в виде волн, а распространяются только за счет проводимости по проводам энергосистемы. Они не создают помех из-за паразитного соединения, а только подключаются к другому оборудованию по проводам питания. Причина, по которой их необходимо учитывать, заключается в том, что они являются кумулятивными – поэтому один выпрямитель в телевизоре имеет незначительный эффект, но когда миллионы телевизоров работают одновременно, их гармоники имеют одинаковую частоту и фазу, поэтому они суммируются в системе питания. Общий эффект заключается в искажении синусоидальной формы сигнала напряжения. Рисунок 5 иллюстрирует вид искажения “плоской вершины”, вызванного выпрямителями;

Рисунок 5: Искажение напряжения, вызванное гармониками выпрямителя

Умеренный уровень гармонического тока в энергосистеме не вызывает беспокойства, но если он становится чрезмерным, то могут возникнуть проблемы. Ниже перечислены некоторые из возможных последствий чрезмерных гармоник в энергосистеме. Все это довольно необычно, но если они все-таки возникают, то исправить их может быть сложно и дорого.

Серьезные трудности с гармониками необычны, за исключением довольно особых случаев. Одним из примеров является судно, имеющее собственный генератор с ограниченной мощностью и большое количество приводов или других выпрямителей. Однако энергокомпании действительно испытывают накопление гармоник от миллионов работающих небольших электроприборов, и есть места, где пятая гармоника в общественном питании достигает своего предельного значения.

“Шум”

Обратите внимание, что влияние гармоник не включает в себя вид помех для электронных схем, обычно называемый “электрическим шумом”, который обычно приводит к шуму и вибрации в аналоговых системах привода и / или ошибкам данных в цифровых каналах передачи данных. Причинами этого являются:

Гармоники распространяются в виде последовательных токов только в силовой цепи, т.е. они распространяются в силовых проводниках энергосистемы, а не в заземляющих соединениях. Высокочастотный “шум” обычно находится в обычном режиме, т.е. он распространяется по проводникам, и цепь замыкается землей (ground). Смотрите рисунок 6 для дальнейшего объяснения;

Рисунок 6: Последовательный режим (а) и общий режим (б) в однофазной силовой цепи

Пользователи дисков иногда запрашивают гармонические данные для диска. Существует некоторая вероятность путаницы, поскольку они могут относиться к входу или выходу, а также к току или напряжению. В таблице ниже обобщены данные, относящиеся к каждому месту.

Иногда запрос выходных гармонических данных вытекает из предыдущего опыта пользователя с инверторными приводами предыдущих поколений, которые использовали квазиквадратичную технику и содержали не тройные n гармоник рабочей частоты. При ШИМ гармоники незначительны.

Подводя итог таблице, можно сказать, что единственными гармоническими данными, которые являются характеристикой конкретной модели привода, являются данные о входном токе. Это должно быть доступно у поставщика по запросу.

В части 2 блога harmonics мы рассмотрим, как измеряются и оцениваются гармоники, как они изменяются в зависимости от загрузки привода и что можно сделать, если их необходимо уменьшить.