Гармонические токи генерируются нелинейными нагрузками, такими как:
- Импульсные источники питания
- Дроссели для люминесцентных ламп
- Привод постоянного тока с регулированием частоты вращения
- Источники бесперебойного питания
- Устройства с магнитными сердечниками
- Импульсные источники питания
Большинство современных электронных блоков имеют импульсные источники питания.
В отличие от старых блоков с понижающими трансформаторами и выпрямителями в современных блоках используется метод выпрямления с непосредственным управлением от питания, для заряда накопительного конденсатора, от которого необходимый постоянный ток поступает путем, подходящим для напряжения на выходе и требуемого тока.
Преимущество для производителя оборудования состоит в том, что размер, стоимость и вес значительно снижены и источник питания может производиться практически с любыми конструктивными характеристиками.
Недостатком является тот факт, что в отличие от постоянного потребления тока, блоки питания потребляют импульсы тока, которые содержат большое количество гармоник третьего и большего порядков и значительные высокочастотные компоненты.
На входе электропитания устанавливается обычный фильтр для обхода высокочастотных компонентов из линии и нейтрали на землю, но это не влияет на токи гармоник идущие обратно к питанию.
Что касается мощных блоков питания, недавно появились так называемые входы для повышения коэффициента мощности. Их целью является приведение питания нагрузки в вид резистивной нагрузки, чтобы таким образом входной ток принимал вид синусоиды и находился в фазе с подаваемым напряжением.
2. Дроссели для люминесцентных ламп
Электромагнитный балласт для компактных флуоресцентных ламп с одним выводом.
Электронные дроссели стали популярны в последние годы в связи с их эффективность, хотя в общем они только немного более эффективны лучших электромагнитных балластов. Основное преимущество в данном случае приписывается не самому электронному дросселю, а лампе, которая лучше работает при высокой частоте.
Сериезным недостатком в случае с большими установками является тот факт, что инвертор генерирует гармоники в токе питания и электрические шумы.
Для устранения данных проблем доступны устройства компенсации реактивной мощности, но их установка является достаточно затратной.
Электромагнитные дроссели также вырабатывают гармоники, но их уровень намного меньше чем у электронных.
В них зачастую встроен конденсатор компенсации реактивной мощности, который действует как низко-импедансный шунт для токов гармоник.
Таким образом, уровень искажений ниже, что вызывает меньше проблем в распределительной сети.
3. Привод постоянного тока с регулированием частоты вращения
Инверторы для двигателей постоянного тока собирают на базе трехфазных мостов, которые также используются в линиях передач постоянного тока и ИБП. Они также известны как шести импульсные мосты т.к. присутствуют шесть импульсов на цикл (один на половину цикла на фазу) на выходе постоянного тока.
На практике двигатели постоянного тока имеют конечную индуктивность, таким образом, присутствуют пульсации 300 Гц (т.е. в шесть раз больше частоты на входе) при постоянном токе.
В связи с этим в некоторых двигателях меняется профиль гармоник питающего тока и токов пятой гармоники до 50%.
Все чаще используются двигатели с пониженной индуктивностью для снижения стоимости, но едва ли это можно назвать экономией т.к. сложнее справляться с большими токами гармоник, а фильтры гармоник, зачастую созданные для теоритических случаев, могут быть повреждены.
Магнитуда пятой и шестой гармоник в значительной степени уменьшаются при использовании двенадцати импульсного моста. По сути это два шести импульсных моста, которые получают питание от трансформатора типа звезда или треугольник, благодаря чему между ними происходит фазовое смещение на 30 градусов. Пятые и седьмые гармоники теоритически устраняются, но на практике они только уменьшаются на фактор между 20 и 50.
Гармоники более высокого порядка остаются без изменений, общий ток гармоник уменьшается примерно на 12%, опять же учитывая нулевой импеданс.
При увеличении импульсов до 24, путем использования двух параллельных двенадцати импульсных блоков с фазовым смещением в 15 градусов, общий ток гармоник уменьшается примерно на 4.5%. При этом конечно происходит повышение цены, поэтому данный тип контроллеров используется только при необходимости соответствия с ограничениями поставщика электроэнергии.
Инверторы для двигателей переменного тока используют одинаковые преобразователи для производства постоянного тока, за ними следуют преобразователи для производства переменного тока при требуемой частоте для привода. Помимо гармоник возникают прочие составляющие тока, которые связаны с рабочей скоростью привода.
Данные составляющие ошибочно называют внутренними гармониками или нецелыми гармониками, но они более похожи на боковые полосы частот в любом модуляционном процессе.
4. Источники бесперебойного питания.
Существует много разны видов ИБП, которые отличаются типом преобразования энергии и путем переключения от внешнего питания к внутреннему.
В большинстве блоков до нескольких мегавольт-ампер используются твердотельные преобразователи для выработки генерируемой мощности, в очень больших блоках используются вращающиеся преобразователи тока.
ИБП бывают класса on-line, класса off-line и линейно-интерактивными.
On-line ИБП преобразовывают напряжение переменного тока в постоянный для сохранения заряда аккумулятора, а питание постоянного тока аккумулятора для выработки переменного тока. Нагрузка постоянно подпитывается от батареи. Данный тип ИБП в основном используется для небольших установок.
Off-line ИБП получает нагрузку из сети при наличии питания. Инвертер/преобразователь обычно неактивны, пока не происходит отключение питания. Недостатком в данном случае является то, что, во время переключения с питания постоянного тока на аккумулятор могут возникнуть проблемы с чувствительным оборудованием (ПК, серверами).
Линейно-интерактивные ИБП сочетают в себе характеристики on-line и off-line. Инвертор в данном случае выполняет двойную функцию. При обычной эксплуатации он сохраняет аккумулятор полностью заряженным. При сбое инвертор отключается от сети, а питание поступает от аккумулятора.
Нагрузка на выходе ИБП неизменно включает в себя IT- оборудование и тем самым является не линейной и с множеством гармоник низкого порядка. Трансформаторы на выходе ИБП должны быть рассчитаны на высокий нагрев.
На выходе ИБП желательно устанавливать фильтры третьих гармоник, но часто их установка требует больших и дорогостоящих комплектующих.
5. Устройства с магнитными сердечниками также являются сильными источниками гармонических помех.
Отношение между током намагничивания и появляющейся в результате удельной плотностью потока в индукторе с магнитным сердечником является по сути нелинейным. Если форма кривой тока является вынужденно синусоидальной, т.е. последовательное сопротивление в цепи высокое, то в магнитном поле будут гармоники. Это называется вынужденным намагничиванием. Если напряжение в катушке синусоидальное, т.е. последовательное напряжение низкое, то удельная плотность потока также будет синусоидальной, но в токе будут гармоники, что и является свободным намагничиванием.
В трансформаторах обычно происходит небольшое искажение напряжения, около 1.5% на выходе. Комплектующие флуоресцентных ламп с электрическими дросселями генерируют гармоники из-за нелинейного поведения самих ламп (они имеют отрицательное динамическое сопротивление) и нелинейное поведение сердечника. Уровни обычно ниже производимых электронными балластами.
