Harmoniku avoti elektrotīklos

Tā kā mūsdienu elektrotīklos, īpaši rūpnieciskajos tīklos, vienmēr ir nelineāri elementi, kā rezultātā strāvas līknes un sprieguma līknes tiek izkropļotas, tīklos parādās augstākas harmonikas.

Pirmkārt, nesinusoiditāte ir saistīta ar statisko pārveidotāju klātbūtni, pēc tam - sinhrono ģeneratoru, metināšanas iekārtu, dienasgaismas spuldžu, loka krāsnīm, transformatoriem, motoriem un citām nelineārām slodzēm.

Matemātiski strāvas un sprieguma līkņu nesinusoiditāti var attēlot kā tīkla frekvences galvenās harmonikas un tās augstāko harmoniku, kas ir tās daudzkārtni, summu. Harmoniskā analīze rada trigonometrisku Furjē sēriju, un iegūto harmoniku frekvenču un fāžu vērtības var viegli aprēķināt, izmantojot formulu:

Faktiski iegūtā nesinusoidālo spriegumu un strāvu kombinācija trīsfāzu tīklā var būt asimetriska vai simetriska.Simetriska nesinusoidālu spriegumu sistēma trīs harmoniku daudzkārtņiem (k = 3n) noved pie nulles secības spriegumu sistēmas veidošanās.

Turklāt pie k = 3n + 1 harmonika trīsfāzu tīklā ģenerē simetrisku negatīvas secības spriegumu sistēmu. Tātad katra simetriskas nesinoidālu spriegumu sistēmas k-harmonika rada simetrisku tiešas, apgrieztas vai nulles secības fāzes spriegumu sistēmu.

Tomēr praksē fāzes nesinoidālo spriegumu sistēma izrādās asimetriska. Tātad, trīsfāzu transformatoru magnētiskie serdeņi paši, tie ir nelineāri un asimetriski, jo vidējās un beigu fāzes magnētisko ceļu garumi atšķiras ar koeficientu 1,9. Rezultātā vidējās fāzes magnetizējošo strāvu efektīvās vērtības ir 1,3–1,55 reizes mazākas nekā beigu fāžu magnetizēšanas strāvu vērtības.

Asimetriskās harmonikas tiek sadalītas simetriskos komponentos, kad katra k-harmonika veido asimetrisku fāzes spriegumu sistēmu un parasti satur trīs secību komponentus - nulli, uz priekšu un atpakaļ.

Trīsfāzu tīkliem ar izolētu neitrālu ir raksturīgs nulles secības komponentu trūkums katrā no fāzēm, ja nav zemējuma defektu. Tā rezultātā fāzes strāvās nav trīs harmoniku daudzkārtņu, bet ir citas harmonikas, kas satur apgrieztās un pozitīvās secības komponentus.

Jaudas taisngriežiem, kā likums, līdzstrāvas pusē ir lielas induktivitātes, kas ir līdzstrāvas mašīnu tinumi un izlīdzināšanas reaktori.Šīs induktivitātes ir daudzkārt lielākas par maiņstrāvas puses ekvivalento induktivitāti, tāpēc šādi taisngrieži attiecībā pret maiņstrāvas tīklu uzvedas kā augstākas harmoniskās strāvas avoti. Strāvai, kas virzīta uz tīklu ar harmonisku frekvenci, ir vērtība, kas nav atkarīga no piegādes tīkla parametriem.

Trīsfāzu elektrotīkliem kā tādiem pārveidotājiem ir raksturīgi izmantot trīsfāzu pilna viļņu taisngriežus 6 vārstiem, no kuriem tos sauc par sešu impulsu vai sešfāžu. Strāvas līkni katrai fāzei šajā gadījumā var aprakstīt ar vienādojumu (vienas fāzes A strāvai):

Var redzēt, ka fāzu strāvu sastāvā ir tikai nepāra harmonikas, kas nav trīskārtīgas, un šo harmoniku zīmes mijas: pozitīvās harmonikas 6k + 1. kārtā un negatīvās harmonikas no 6k-1.

Ja izmanto divpadsmit fāzu taisngriezi, kad sešfāzu taisngriežu pāris ir savienots ar trīsfāzu transformatoru pāri (sekundārie spriegumi tiek fāzēti nobīdīti par pi / 6), tad harmonikas 12k + 1 un 12k- Attiecīgi parādīsies 1-pasūtījumi.

Pirms taisngriežu izmantošanas tikai transformatori un dažādas elektriskās mašīnas bija galvenais augstāko harmoniku avots elektriskajos tīklos. Bet arī mūsdienās transformatori ir visizplatītākie elektrisko tīklu elementi.

Iemesls, kāpēc transformatori rada augstākas harmonikas, ir magnētisko ķēžu nelineārā magnetizācijas līkne un pastāvīga histerēzes cilpas… Nelineāra magnetizēšanas līkne un histerēzes cilpa rada oriģinālās sinusoidālās tukšgaitas magnetizēšanas strāvas izkropļojumus, un rezultātā ir augstākas harmonikas strāvā, ko transformators ņem no tīkla.

110 kV klases transformatoriem tukšgaitas strāva ir ne vairāk kā 1%, bet 6-10 kV klases transformatoriem - ne vairāk kā 2-3%. Tās ir nelielas strāvas, un to aktīvie zudumi magnētiskajā ķēdē ir niecīgi. Svarīga ir magnetizācijas līkne, nevis histerēzes cilpa.

Magnetizācijas līkne ir simetriska, un Furjē sērijas paplašināšanā nav pat harmoniku. Magnetizējošās strāvas izkropļojumus izraisa nepāra harmonikas, starp kurām ir trīs reizes. Trešā harmonika ir īpaši izteikta, bet arī piektā un septītā harmonika ir visnozīmīgākā.

EML harmonikas un strāvas harmonikas ir raksturīgas arī motoriem, gan sinhroni, gan asinhroni… Šīs harmonikas izraisa tādas pašas parādības kā strāvas harmonikas, ko rada transformatori — materiālu, no kuriem izgatavots stators un rotors, magnetizācijas līknes nelinearitāte.

Elektromotoru, tāpat kā transformatoru, strāvas harmoniku frekvenču spektrs ietver nepāra harmonikas, starp kurām acīmredzami ir trīs reizes. Nozīmīgākās šeit ir 3., 5. un 7. harmonika.

Tāpat kā transformatoru gadījumā, aptuvenie aprēķini ļauj ņemt 3., 5. un 7. harmonikas strāvu procentuālo daļu pie 40% trešajai harmonikai, 30% piektajai harmonikai un 20% septītajai harmonikai (procentos no tukšgaitas strāva).