Откриване на проблеми с хармониците

Откриването на проблеми, дължащи се на хармониците е сравнително лесно, ако се знае какво да се търси и къде да се търси. Симптомите на хармониците обикновено са всичко друго, но не и едва доловими. Те обикновено се появяват в електроразпределителното оборудване, което захранва нелинейни товари. Съществуват два основни типа нелинейни товари: еднофазни и трифазни. В офисите преобладават еднофазните, нелинейни товари, а трифазните товари са широко разпространени в промишлените предприятия.
Следователно, разбираемо е как няма хармоници в електрическа система, където формата на вълните на тока и напрежението са синусоидални. Точно обратно, наличието на хармоници в електрическата система е индикация за изкривяването на формата на вълната на напрежението или тока и това предполага такова разпределение на електрическата мощност, което може да причини неизправност в оборудването и защитните устройства.

Текст: списание Енергия

снимка: Electric Motors

Първият променливотоков генератор е бил включен в паралел с електрическата система преди повече от 100 години и още тогава е имало хармоници, но те са били незначителни и не са имали никакви вредни ефекти. Чистото синусоидално напрежение е концептуално количество, произведено от идеален променливотоков генератор, изграден с фино разпределени статорни и възбудителни намотки, работещи в еднородно магнитно поле и без загуби. Но в една реална работеща променливотокова машина, в която нито разпределението на намотките, нито магнитното поле са еднакви, се получава изкривяване на формата на вълната на напрежението. Изкривяването в момента на генериране е много малко (около 1% до 2%), но все пак съществува. Това е отклонение от чистата синусоидална вълна под формата на периодична функция и по дефиниция изкривяването на напрежението съдържа хармоници.

Когато се прилага синусоидално напрежение към определен тип товар токът, консумиран от товара е пропорционален на напрежението и импеданса и следва обвивката на вълната на напрежението. Тези товари се наричат „линейни (товари без никакво изкривяване на техните чисти синусоидални вълни). Примери за линейно натоварване са съпротивителните нагреватели, лампи с нажежаема жичка, асинхронни и синхронни двигатели с постоянна скорост.

Други вид товари карат тока да се променя непропорционално на напрежението по време на всеки половин цикъл. Те се класифицират като нелинейни товари, а токът и напрежението са с несиносуидална форма на вълната, която съдържа изкривявания. Вълна с честота от 50Hz има множество допълнителни вълни насложени върху нея, създавайки множество честоти в нормалната 50Hz синусоида. Многобройните честоти са хармоници на фундаменталната честота. Обикновено изкривяванията на тока водят до изкривяване на напрежението. 

Примери за нелинейни товари са зарядните устройства за батерии, електронните баласти, задвижванията с променлива честота и импулсните захранващи устройства. Тъй като нелинейните токове преминават през електрическата система на съоръжението и разпределителните линии, се получават допълнителни изкривявания на напрежението поради импеданса, свързан с електрическата мрежа. По този начин, когато се генерира, разпределя и използва електрическа енергия, се създават изкривявания на формата на вълната на напрежението и тока.

Захранващи системи, проектирани да функционират при основната честота от 50Hz, са склонни към незадоволителна работа и понякога към неизправности, когато са подложени на напрежения и токове, които съдържат значителни хармонични честотни елементи. Много често работата на електрическото оборудване може да изглежда нормално, но при определена комбинация от условия, въздействието на хармониците се увеличава с вредни резултати.

Електроразпределително оборудване

В трифазна, четирипроводна система, нулевите проводници могат да бъдат засегнати силно от нелинейните товари, свързани към еднофазни вериги с напрежение 220V. При нормални условия за балансиран линеен товар основната 50Hz част от фазовите токове ще се анулира в нулевия проводник. В четирипроводна система с еднофазни нелинейни товари, някои нечетни хармоници, наречени триплени - нечетните множители на третия хармоник: трети, девети, петнадесети и т.н. - не се анулират, а се добавят заедно в нулевия проводник. При системи с много еднофазни, нелинейни товари токът в нулевия проводник всъщност може да надвиши фазовия ток. Резултатът е прекомерно прегряване, защото, за разлика от фазовите проводници, в нулевия проводник по принцип няма прекъсвачи за ограничаване на тока. По-големият ток в нулевия проводник също може да причини по-висок от нормалното пад на напрежение при изхода 220V.

Широко разпространените термо-магнитни прекъсвачи използват биметален изключващ механизъм, който реагира на топлинния ефект на тока в електрическата верига. Те са проектирани така, че да реагират на действителната ефективност на формата на вълната на тока и ще се задействат, когато механизмът за изключване стане твърде горещ. Този тип прекъсвач има добри шансове да предпази оборудването от претоварване, причинено от хармонични токове. Електронният прекъсвач реагира на върховите стойности на формата на вълната на тока. В резултат на това, той не винаги ще изключва правилно при наличието на хармоничните токове. Обикновено върховата стойност на хармоничния ток е по-висока от нормалното и този тип прекъсвач може да изключи преждевременно при по-малък ток. Ако обаче върховата стойност е по-ниска от нормалното, прекъсвачът може да не успее да изключи, когато трябва.

Нулевите шини и отклоненията от тях са оразмерени така, че да провеждат пълната стойност на номиналния фазов ток. Те могат да бъдат претоварени, когато нулевите проводници са претоварени с допълнителната сума от токовете на триплените. Панелните шкафове, предназначени да провеждат 50Hz токове, могат да станат механично резонансни към магнитните полета, генерирани от хармоничните токове с по-висока честота. Когато това се случи, панелът вибрира и издава бръмчащ звук с хармоничните честоти.

Налице е нарастващо използване на задвижвания с променлива честота (честотни инвертори), които задвижват електрически двигатели. Напреженията и токовете от честотните инвертори, които захранват даден двигател, са богати на хармонични честотни компоненти. Хистерезисът и загубите от вихрови токове са част от загубите, които се произвеждат в магнитопровода поради променливото магнитно поле. Хистерезисните загуби са пропорционални на честотата, а загубите от вихрови токове се изменят с квадрата на честотата. Поради това компонентите с по-висока честота на напрежението създават допълнителни загуби в магнитопровода на електродвигателите, които на свой ред увеличава работната температура на магнитопровода и намотките около него. Прилагането на несинусоидално напрежение към двигателите води до движението на хармоничен ток в намотките на двигателите. 

Активните загуби в намотките на двигателя се изменят с квадрата на средно-квадратичната стойност на тока. Поради повърхностния ефект, действителните загуби биха били малко по-високи от изчислените стойности. Загубите от разсейване в двигателя също се увеличават поради хармоничните напрежения и токове. Въртящият момент на двигателите се получава от взаимодействието между магнитното поле на въздушната междина и индуцираните в ротора токове. Когато двигателят се захранва с несинусоидални напрежения и токове, магнитните полета във въздушната междина и токовете на ротора съдържат хармонични честотни компоненти. Хармониците са групирани в положителни (+), отрицателни (-) и нулеви (0) последователности. Хармониците с положителната последователност (с номера 1, 4, 7, 10, 13 и т. н.) произвеждат магнитни полета и токове, въртящи се в същата посока като хармоника с основната честота. Хармониците с отрицателни последователности (с номера 2, 5, 8, 11, 14 и т. н.) развиват магнитни полета и токове, които се въртят в посока, противоположна на положителната честота. Хармониците с нулева последователност (с номера 3, 9, 15, 21 и т. н.) не развиват използваем въртящ момент, но водят до допълнителни загуби в машината. Взаимодействието между положителните и отрицателните последователности на магнитните полета и токове създава усукващи трептения във вала на двигателя. Тези колебания водят до вибрации на вала. Ако честотата на трептенията съвпада с естествената механична честота на вала, вибрациите се усилват и може да настъпи сериозно увреждане на вала на двигателя.

Генераторите в режим на готовност са обект на същите видове проблеми с прегряването като трансформаторите. Тъй като осигуряват аварийно захранване за товари, произвеждащи хармоници, като например оборудване за обработка на данни, те често са още по-уязвими. В допълнение към прегряването някои видове хармоници предизвикват изкривяване при пресичане на вълната на тока през нулата, което води до смущения и нестабилност в управляващите вериги на генератора.

Вредните ефекти на хармоничните напрежения и токове върху работата на трансформатора често остават незабелязани, докато не настъпи действителен отказ. В някои случаи трансформаторите, които са работили задоволително за продължителни периоди, са се повредили в относително кратък период от време, когато са били променени натоварванията на инсталацията или е била преконфигурирана електрическата система на съоръжението. Промените могат да включват инсталиране на устройства с променлива честота, електронни баласти, кондензатори за подобряване на мощността, дъгови пещи и добавяне или премахване на големи двигатели.

Прилагането на несинусоидално възбуждащо напрежение към трансформаторите увеличава загубите в магнитопровода. По-сериозният ефект от хармоничните натоварвания, които се обслужват от трансформаторите, се дължи на увеличаването на загубите от вихровите токове. Това са циркулиращи токове в проводниците, индуцирани от действието на преминаващото остатъчно магнитното поле през проводниците. Концентрациите на вихрови токове са по-високи в краищата на намотките на трансформатора, поради ефекта на натрупване на остатъчните магнитни полета в краищата на бобината. Проблемът е, че загубите от вихрови токове се увеличават с квадрата на тока в проводника и квадрата на неговата честота. Увеличаването на загубите в трансформатора от вихрови токове, дължащо се на хармоници, има значителен ефект върху работната му температура. Трансформаторите, които се нужни за захранване на нелинейни товари, трябва да бъдат преоразмерени въз основа на процентите на хармоничните компоненти в тока на товара и загубите от вихрови токове в намотките.

Много промишлени и търговски електрически системи имат инсталирани кондензатори, за да компенсират ефекта от ниския фактор на мощността. Повечето кондензатори са проектирани да работят на максимум 110% от номиналното напрежение и при 135% от тяхната реактивна мощност. В система за захранване, характеризираща се с големи хармоници на напрежение или ток, тези ограничения често се превишават, което води до откази на банките с кондензатори. Тъй като капацитивният реактанс е обратно пропорционален на честотата, нефилтрираните хармонични токове в енергийната система се намират в кондензаторните банки, като по този начин се претоварват.

По-сериозно състояние, с потенциал за значителни щети възниква в резултат на хармоничен резонанс. Резонансните условия се създават, когато в електрическата система индуктивните и капацитивните реактанси стават равни. Резонансът в електрическата система може да бъде класифициран като сериен или паралелен резонанс, в зависимост от конфигурацията на резонансната верига. Серийният резонанс произвежда усилване на напрежението, а паралелния резонанс предизвиква умножаване на тока в електрическата система. В богата на хармоници среда съществуват и двата вида резонанс. По време на резонансни условия, ако амплитудата на нарушаваща честота е голяма, ще се получат значителни щети на банките с кондензатори. И има голяма вероятност и друго електрическо оборудване в системата да бъде повредено.

Протичането на нормален 50Hz ток в даден кабел води до активни загуби, а токовото изкривяване води до допълнителни загуби в проводника. Също така, ефективното съпротивление на кабела се увеличава с честотата, дължаща се на повърхностния ефект, поради протичането на променлив ток по външната периферия на проводника. Колкото по-висока е честотата на тока, толкова по-голяма е тази тенденция. Поради фундаменталните и хармоничните токове, които могат да текат в проводника, е важно кабелът да бъде оразмерен за правилния ток.

Диагностициране и фиксиране на хармониците

Анализаторът на хармоници е най-ефективният инструмент за извършване на подробен анализ на качеството на електроенергията, за да се определят формите на вълните на напрежението и тока на съответните честотни спектри. Хармоничният анализатор е полезен и в случаите, когато липсата на очевидни симптоми пречи да се определи дали хармониците са причина за безпокойство. Използвайки тези данни, функцията за хармоничното съотношение изчислява стойност от 0% до 100%, за да покаже отклонението от несинусоидалната и синусоидалната форма на вълната. Тази стойност показва наличието на хармоници.

Решения за компенсиране и намаляване на хармониците

Докато се вземат под внимание стандартите за ограничаване генерирането на хармонични токове, хармоничният контрол днес се основава основно на техники за коригиране. Има няколко подхода, които могат да бъдат предприети за компенсиране или намаляване на хармониците в електроенергийната система с различна степен на ефективност.

В модерните съоръжения нулевите проводници винаги трябва да бъдат със същия капацитет като фазовите или по-голямо, въпреки че електрическите закони могат да позволят намаляване на размера на нулевия проводник. Подходящият дизайн за поддържане на натоварването от много персонални компютри, ще определи капацитета на нулевия проводник да надвиши капацитета на фазовия проводник с около 200%. Особено внимание трябва да се обърне на електрическата инсталация в кабинетите. Този подход защитава инсталацията в сградата, но не помага да се защитят трансформаторите.

При трифазните вериги всяко отклонение трябва да бъде със собствен нулев проводник. Това увеличава капацитета и способността на отклоненията да издържат на хармоничните натоварвания. Този подход успешно премахва добавянето на хармонични токове към нулевите проводници за отклоненията, но трябва да се има предвид и нулевия проводник на шинната система и захранващия панел.