A villamos energia minősége és a harmonikusok által okozott problémák
Rejtélyes rejtély okozza az elektromos berendezések gyártási egységeinek és irodaházainak használatának megmagyarázhatatlan jelenségeit, amelyek befolyásolják a villamos energia minőségét:
- A vezető túlterhelése nulla munkával
- A védőeszközök nem kívánt működése
- A transzformátorok túlmelegedése közepes terhelés mellett
- A feszültséggörbe deformációja
- A kondenzátor túlterhelése a teljesítménytényező korrekciójához
- A filmhatás okozta vezetők túlmelegedése
- A motor alulterhelése, amelyet a feszültség aszimmetriája okoz
Probléma? harmonikusok.
A harmonikusok a modern elektronika melléktermékei. Különösen ott vannak elterjedve, ahol nagyszámú számítási technika és változó sebességű meghajtó van.
Gyakorlatilag minden modern elektromos és elektronikus berendezés rendelkezik kapcsolóforrással, vagy vezérli az így vagy úgy felvett energiát, és ezáltal nemlineáris terhelést eredményez.
Tökéletes tápegység, amely mindig rendelkezésre áll, feszültségével és frekvenciájával a megengedett határokon belül, tökéletesen szinuszos feszültséggörbével.
Az áramkimaradások a szállított áram minőségének legfontosabb elemei.
A rossz minőségű feszültség rejtett költség. Általában nem fedezik fel és nem diagnosztizálják, amíg nem fordulnak elő költséges meghibásodások.
A harmonikusok által okozott okok és hatások
Amikor arról beszélünk harmonikusok az elektromos berendezésekben főleg áramokra utalunk, mert a felharmonikusok az áramokból származnak, és a legtöbb káros hatást ezek az áramok okozzák.
A harmonikus frekvenciák az alapellátási frekvencia egész sokszorosai. A harmonikus áramok átfedése az alapárammal nem szinuszos hullámformákat okoz, amelyek nemlineáris töltésekhez kapcsolódnak.
A lineáris terhelések viszonylag ritkák, egyedüli példák a nem ellenőrzött izzólámpák és a nem szabályozott fűtési rendszerek.
Ábra. 1 - Harmonikusok által generált problémák
A fenti ábrán látható képernyőképen a zöld görbe megfelel a telepítésben jelen lévő jelenlegi harmonikusoknak.
A piros görbe a torz hálózati feszültségjelet jelzi. Nagyon világos, hogy a harmonikus áramjel nagy amplitúdókat ér el, ami feszültségesést generál.
Harmonikusokat generáló berendezések típusai
A harmonikus áramokat nemlineáris terhelések generálják. Ezek egy- és háromfázisú feladatokat tartalmaznak, például:
- számítógépek, faxok, kisülőlámpák
- elektronikus előtétek fénycsövekhez
- kis szünetmentes tápegységek (UPS)
- változó sebességű hajtások
- nagy UPS egységek
- ipari ívkemencék
- töltők (egyenirányítók) elektromos akkumulátorokhoz
Harmonikus áramok okozta problémák
1. A vezető túlterhelése nulla munkával
Háromfázisú rendszerben az egyes fázisok feszültséggörbéi a csillagkapcsolat semleges pontjához viszonyítva 120 ° -kal elmozdulnak.
Tehát, ha minden fázis egyformán töltődik, akkor a kapott semleges áram nulla. Ha a terhelések nincsenek kiegyensúlyozva, akkor csak a visszatérő áramok összegének eredőjét továbbítják semlegesre, és a többszörös háromfokú harmonikus áramokat hozzáadják a semleges vezetőhöz.
Ez ahhoz vezet, hogy a semleges oldalon áramlik az áram, amely gyakran a fázisáramok 120-130% -án van. Ezt a hatást szemlélteti a 2. ábra, ahol a fent látható fázisáramok fázistolódnak 120 ° -ra.
Ábra. 2 - A többszörös háromfokú harmonikus áramok összegyűlnek a semleges vezetőben
Az egyszerű megoldás, ahol egyvezetékes kábeleket használnak, a semleges szakaszának megduplázása két külön vezetőként vagy egy nagyobb keresztmetszetű vezetőként.
2. A transzformátorok túlmelegedése közepes terhelés mellett
A transzformátorokat kétirányú harmonikusok befolyásolják. Először is, a Foucault áramveszteségek, amelyek általában a névleges terhelési veszteségek körülbelül 10% -át teszik ki, a harmonikus rang négyzetével nőnek.
A gyakorlatban egy névleges teljesítménnyel működő és nemlineáris terhelést biztosító transzformátor esetében az összes veszteség kétszer akkora lesz, mint egy lineáris terhelésnél.
Az eredmény sokkal magasabb hőmérséklet, ami az élettartam megfelelő csökkenéséhez vezet.
Ábra. 3 - Túlhevített transzformátor infravörös képe közepes terhelés mellett
A második hatás a többszörös háromfokú harmonikusokra vonatkozik. A háromszög csatlakozású transzformátor tekercselésének minden fázisában megtalálhatók, körkörös útjuk van a tekercsekben.
A háromszoros rangú harmonikus áramokat a tekercs hatékonyan elnyeli, és nem terjednek az áramforrásra.
Így a háromszög tekercselő transzformátorai hasznosak izolációs transzformátorként. Meg kell jegyezni, hogy a többi harmonikus, amelyeknek nincs többszörös hármasa, átmennek a tekercselésen.
3. A védőeszközök nem kívánt működése
A maradékáramú megszakítók (RCD) a fázis és a semleges áram összességére hatnak, és ha a különbség nem kisebb a beállított határértéknél, válasszák le a terhelést.
Időszerű kiütés harmonikusok jelenlétében két okból következhet be. Először is, a megszakító elektromechanikus eszközként nem biztos, hogy megfelelően szereli össze a nagyfrekvenciás alkatrészeket. Ennek eredményeként helytelenül vált ki.
Másodszor, a harmonikusokat generáló berendezés típusa is zajt kelt a kapcsolás miatt, amelyet szűrni kell az áramellátáshoz való csatlakozás előtt.
Az erre a célra használt szűrők általában kondenzátorral rendelkeznek a fázis és a test között, valamint a semleges vezető és a test között. Ennek eredményeként kis szivárgás lesz a földön.
A megszakítók nem szándékos kioldását általában az áramkör áramai okozzák, amelyek a harmonikus áramok jelenléte miatt magasabbak, mint a számított vagy mért értékek.
A legtöbb hordozható eszköz nem méri a valódi valós értéket, és 40% -kal alulbecsülheti a nem szinuszos áramokat.
4. A kondenzátorok túlterhelése a teljesítménytényező korrekciójához
A teljesítménytényező korrekciójára szolgáló kondenzátorokat fáziseltolásos áram előállítására tervezték
Ábra. 4 - A kondenzátorok károsodtak a harmonikusok jelenlétében a berendezésben
feszültség előtt az induktív terhelés, például egy aszinkron motor által okozott fáziseltolásos áram kompenzálására.
A kondenzátor impedanciája növekszik a frekvencia növekedésével, míg a forrás impedanciája, amely általában induktív, a frekvenciával növekszik.
Ezért valószínű, hogy nagyon nagy harmonikus áramok haladnak át a kondenzátoron, és károsodás léphet fel, ha azt nem úgy tervezték, hogy ellenálljon nekik.
Egy potenciálisan komolyabb probléma, amely harmonikus frekvencián vagy annak közelében fordulhat elő, a kondenzátor és a tápellátó rendszer szivárgási reaktanciája közötti rezonancia (amely nyilvánvalóan előfordulhat a 100 Hz-es frekvenciákon).
Amikor ez bekövetkezik, nagyon magas feszültségek és áramok keletkezhetnek, amelyek gyakran katasztrofális kondenzátor károsodáshoz vezetnek (mint a 4. ábra).
A rezonancia elkerülhető egy tekercs soros behelyezésével a kondenzátorral, így a kombináció induktív marad, legalábbis a legalacsonyabb rangú jelentős harmonikusok esetében.
Ez a megoldás korlátozza a kondenzátorban áramló harmonikus áramot is. A tekercs induktivitása problémát jelenthet, különösen akkor, ha alacsony minőségű harmonikusok vannak jelen.
5. A filmhatás okozta vezetők túlmelegedése
A váltakozó áram a vezető felületére hajlik. Ez a jelenség filmhatás néven ismert, és magas frekvenciákon hangsúlyosabb.
A filmhatást általában figyelmen kívül hagyják, mert a névleges táplálási frekvencián nagyon kicsi, de 350 Hz felett, azaz a 7-es harmonikustól kezdve a filmhatás fontossá válik, ami további veszteségeket és fűtést okoz a tápvezetékekben (az 5. ábra szerint) ).
Ahol harmonikus áramok vannak, a tervezőknek figyelembe kell venniük a filmhatást, és ennek megfelelően ki kell tölteniük a kábeleket. A többvezetékes kábelek vagy hengerelt rudak használata segít megoldani ezt a problémát.
Ábra. 5 - A vezetők túlmelegednek a filmhatás miatt
6. A feszültséggörbe deformációja
A nemlineáris terhelés által generált deformált terhelési áram deformált feszültségesést okoz a kábelek impedanciáján.
Az így kapott deformált feszültséget minden, ugyanahhoz az áramkörhöz csatlakoztatott terhelésre alkalmazzuk, harmonikus áramokat termelve rajtuk keresztül, még akkor is, ha lineáris terhelések, a 6. ábra mutatja.
Ábra. 6 - A feszültséggörbe deformációja
A harmonikus feszültség torzulásának elemzésénél emlékeznünk kell arra, hogy amikor a terhelést egy megszakítás alatt egy UPS-hez vagy egy tartalék generátorhoz továbbítják, a forrás impedanciája és az ebből fakadó feszültségtorzítás sokkal nagyobb.
7. A motor túlterhelése, amelyet a feszültség aszimmetriája és a feszültség harmonikusai okoznak
Az indukciós motorok harmonikus feszültségei növelik az örvényáram veszteségeit,
Ábra. 7 - A motorok túlmelegedése a feszültség harmonikusai miatt
ugyanúgy, mint a transzformátorok esetében.
Ezenkívül további veszteségek merülnek fel az állórészben lévő harmonikus mezők létrehozása miatt, amelyek mindegyike hajlamos a motor különböző sebességgel történő forgatására, egyik vagy másik irányba.
A rotor által kiváltott nagy frekvenciájú áramok a tekercselési veszteségek és a hőmérséklet további növekedéséhez vezetnek, a 7. ábra szerint.
következtetések
Ezek az energiaminőségi események sok érzékeny folyamatot megzavarnak, és lerövidítik a berendezések élettartamát, ami felesleges költségekhez vezet a téves diagnosztizált problémák megoldása formájában.
A tökéletes tápegységtől való megengedett eltérések pontos szintje a felhasználó alkalmazásától, a telepített berendezés típusától és a szükséges feltételek megítélésétől függ.
A villamosenergia-ipar hajlamos a leállásokat a le nem szállított villamos energia költségeihez viszonyítva értékelni.
A fogyasztó a megszakítások által okozott termelési veszteségekhez viszonyítva értékeli.
A termelésveszteségek nagyon jelentősek lehetnek, és a létesítmények előállításának a termelés újraindítása érdekében való rendelkezésre állásának időtartama nagyon hosszú és magas költségekkel jár.
ajánlások
A cél azoknak a pontoknak az azonosítása, ahol a megszakítások előfordulhatnak, és ezek biztosításával kiküszöbölhetők pótfelszerelés (felesleges) vagy alternatív ellátási útvonal.
Így a tevékenység egyetlen esemény esetén is folytatódhat. Az e hatások korlátozására használt főbb módszerek magukban foglalják szűrő vagy szigetelő rendszer (elválasztó transzformátorok) telepítése.
Biztonsági források és UPS rendszerek, szükségesek a rövid és hosszú távú kiesések fedezéséhez, elengedhetetlen elemei annak a rendszernek, amely képes megbirkózni az áramellátás változásaival.
Miután a harmonikusok "ellenőrzés alatt vannak", az energiaveszteségek eltűnnek, és ezzel egyidejűleg a hálózat által biztosított energia más feladatokra is elérhető.
Ezért optimalizálni fogják a villamosenergia-hálózat által szolgáltatott energiát, ezzel csökkentve az energiaköltségeket.
A jó villamosenergia-minőség biztosításához jó kezdeti tervezés, hatékony korrekciós berendezések, együttműködés a szállítóval, gyakori ellenőrzés és jó karbantartás szükséges..
Más szavakkal, átfogó megközelítést és a villamos energia minőségének javításának alapelveinek és gyakorlatának megfelelő megértését igényli.