Gründe für das Auftreten höherer Harmonischer in modernen Energiesystemen

Die elektrische Ausrüstung der modernen Welt wird immer komplexer, insbesondere im Bereich der IT-Technologien. Aufgrund dieses Trends müssen Netzqualitätssicherungssysteme diese Anforderungen erfüllen: Sie müssen lediglich problemlos mit Schwankungen, Überspannungen, Spannungseinbrüchen, Rauschen, Impulsrauschen usw. umgehen können, damit das industrielle Netzwerk und die damit verbundenen Benutzer normal funktionieren können.

Eines der Hauptprobleme, die es zu lösen gilt, ist die Umformung der Netzspannung aufgrund von Oberwellen, die durch nichtlineare Lasten verursacht werden. In diesem Artikel werden wir uns eingehend mit den Aspekten dieses Problems befassen.

Was ist der Kern des Problems?

Der Hauptanteil der aktuellen Bürogeräte, Computer, Büro- und Multimediageräte sind in der Regel nichtlineare Lasten, die, wenn sie in großen Mengen in das gemeinsame Stromnetz eingebunden werden, die Form der Netzspannung verzerren.

Diese verzerrte Spannung wird von anderen elektrischen Geräten schmerzhaft wahrgenommen und stört manchmal deren normalen Betrieb erheblich: Sie verursacht Fehlfunktionen, Überhitzung, unterbricht die Synchronisation, erzeugt Störungen in Datenübertragungsnetzen – im Allgemeinen kann nicht-sinusförmige Wechselspannung eine Vielzahl von Geräten stören , Prozesse und Unannehmlichkeiten für Menschen, einschließlich Material.

Die Spannungsverzerrung als solche wird durch ein Koeffizientenpaar beschrieben: den Sinusfaktor, der das Verhältnis des Effektivwerts der höheren Harmonischen zum Effektivwert der Grundharmonischen der Netzspannung widerspiegelt, und den Lastscheitelfaktor gleich ein Verhältnis der Spitzenstromaufnahme zum effektiven Laststrom.

Warum sind höhere Harmonische gefährlich?

Die durch die Ausprägung höherer Harmonischer verursachten Wirkungen lassen sich je nach Einwirkungsdauer in unmittelbare und langfristige Wirkungen einteilen. Als momentane Momente werden häufig Folgendes erwähnt: Formverzerrung der Versorgungsspannung, Spannungsabfall im Verteilungsnetz, harmonische Effekte einschließlich harmonischer Frequenzresonanz, schädliche Interferenzen in Datenübertragungsnetzen, Lärm im akustischen Bereich, Vibrationen von Maschinen. Zu den langfristigen Problemen gehören: übermäßige Wärmeverluste in Generatoren und Transformatoren, Überhitzung von Kondensatoren und Verteilungsnetzen (Kabeln).

Harmonische und Netzspannungsform

Erhebliche Spitzenströme in der Hälfte der Netzsinuswelle führen zu einer Erhöhung des Crest-Faktors.Je höher und kürzer der Spitzenstrom ist, desto stärker ist die Verzerrung, während der Kammfaktor von den Fähigkeiten der Stromquelle abhängt, von ihrem Innenwiderstand – ob sie in der Lage ist, einen solchen Spitzenstrom zu liefern. Einige Quellen müssen im Verhältnis zu ihrer Nennleistung überdimensioniert werden, beispielsweise müssen in Generatoren spezielle Wicklungen verwendet werden.

Aber unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) meistern dieses Problem viel besser: Durch die Doppelwandlung sind sie in der Lage, den Laststrom jederzeit zu steuern und per PWM zu regeln, wodurch Probleme aufgrund des hohen Kammkoeffizienten des Stroms vermieden werden . Mit anderen Worten: Der hohe Crest-Faktor stellt für eine hochwertige USV kein Problem dar.

Höhere Harmonische und Spannungsabfall

Wie oben erwähnt, bewältigen USVs hohe Scheitelfaktoren gut und ihre Wellenformverzerrung überschreitet nicht 6 %. Anschlussdrähte spielen hier in der Regel keine Rolle, sie sind recht kurz. Aufgrund der Fülle an Oberwellen in der Netzspannung weicht die Stromwellenform jedoch von der Sinusform ab, insbesondere bei ungeraden Hochfrequenzharmonischen, die durch einphasige und dreiphasige Gleichrichter verursacht werden (siehe Abbildung).

Die komplexe Impedanz des Verteilungsnetzes beträgt normalerweise induktiver NaturDaher führen Stromharmonische in großen Mengen zu erheblichen Spannungsabfällen auf Leitungen mit einer Länge von 100 Metern, und diese Abfälle können die zulässigen Werte überschreiten, wodurch die Spannungsform an der Last verzerrt wird.

Beachten Sie beispielsweise, wie sich der Ausgangsstrom eines einphasigen Diodengleichrichters bei unterschiedlichen Netzimpedanzen ändert, abhängig vom Widerstand des Eingangsfilters eines gespeisten Geräts mit transformatorlosem Eingang, und wie sich dies auf die Spannungswellenform auswirkt.

Das Problem der harmonischen Vielfachen der Terz

Dritte, neunte, fünfzehnte usw. — Die höheren Harmonischen des Netzstroms zeichnen sich durch hohe Amplitudenkoeffizienten aus. Diese Oberschwingungen entstehen durch einphasige Lasten und ihre Auswirkung auf dreiphasige Systeme ist recht spezifisch. Wenn Das Dreiphasensystem ist symmetrisch, die Ströme sind um 120 Grad gegeneinander verschoben und der Gesamtstrom im Neutralleiter ist Null – es gibt keinen Spannungsabfall über dem Leiter.

Dies gilt theoretisch für die meisten Harmonischen, aber einige Harmonische zeichnen sich durch eine Drehung des Stromvektors in die gleiche Richtung wie der Stromvektor der Grundharmonischen aus. Dadurch überlagern sich im Neutralleiter die ungeraden Harmonischen, die ein Vielfaches der Terz sind. Und da diese Oberschwingungen in der Mehrheit sind, kann der gesamte Neutralstrom die Phasenströme übersteigen: Beispielsweise ergeben Phasenströme von 20 Ampere einen Neutralstrom mit einer Frequenz von 150 Hz bei 30 Ampere.

Ein Kabel, das ohne Berücksichtigung des Einflusses von Oberschwingungen ausgelegt ist, kann überhitzen, da sein Querschnitt nach Ansicht der Meinung hätte erhöht werden müssen. Harmonische Vielfache der Terz sind in einem Drehstromkreis um 360 Grad gegeneinander versetzt.

Resonanz, Interferenz, Lärm, Vibration, Erwärmung

Vertriebsnetze haben Gefahr von Resonanzen Bei höheren Strom- oder Spannungsoberschwingungen fällt der Oberschwingungsanteil in diesen Fällen höher aus als die Grundfrequenz, was sich negativ auf Systemkomponenten und Geräte auswirkt.

Datenübertragungsnetze, die sich in der Nähe von Stromleitungen befinden, durch die Ströme mit höheren Harmonischen fließen, unterliegen Störungen. Das Informationssignal in ihnen verschlechtert sich. Je kürzer die Entfernung von der Leitung zum Netzwerk ist, desto größer ist die Länge ihrer Verbindung, desto höher ist die Oberwellenfrequenz – desto größer ist das Verzerrungsinformationssignal.

Transformatoren und Drosseln beginnen aufgrund höherer Harmonischer mehr Lärm zu machen, bei Elektromotoren kommt es zu Pulsationen im magnetischen Fluss, was zu Drehmomentvibrationen an der Welle führt. Elektrische Maschinen und Transformatoren überhitzen und es kommt zu Wärmeverlusten. Bei Kondensatoren steigt der dielektrische Verlustwinkel mit einer höheren Frequenz als das Netz, und sie beginnen zu überhitzen, es kann zu einem dielektrischen Durchschlag kommen. Es ist unnötig, über die Verluste in den Leitungen aufgrund des Temperaturanstiegs zu sprechen ...