Дуговые и насыщаемые устройства в эмиссии гармоник на промышленных объектах. Трансформаторы и электродвигатели в эмиссии гармонических возмущений.
Помимо частотных преобразователей (и других устройств – инверторов, конверторов с блоками на полупроводниковых ключах) наибольший вклад в гармонические искажения параметров качества электроэнергии на промышленных объектах вносят дуговые и насыщаемые устройства (см. о категориях «проблемных» нелинейных нагрузок в этом материале). Причем:
на узкопрофильных производствах (металлургия с дуговыми, индукционными печами, обрабатывающие предприятия с цехами дуговой сварки, оборудованием и процессами ионно-лучевой (и электронно-лучевой) технологии и т.п.) общий «вклад» печей, сварочных агрегатов (исключая инверторные), освещения с магнитными балластами в искажения напряжения сравнительно небольшой, поскольку импеданс балластов или печных выводов действует как буфер, а подавления тройных гармоник в трехфазных устройствах выполняется через соединение трансформатора;
в целом на промышленных объектах высокий уровень гармоник удерживается из-за преобразователей, электродвигателей, значительного числа (и мощности) трансформаторов.
Трансформаторы и электродвигатели в эмиссии гармонических возмущений
Силовые трансформаторы предназначены для нормальной работы чуть ниже точки «колена» полного намагничивания, а рабочая плотность потока трансформатора выбирается на основе сложной оптимизации стоимости стали, потерь холостого хода, шума и многих других факторов.
Несмотря на то, что возбуждающий (намагничивающий) ток трансформатора богат гармониками при нормальном рабочем напряжении (см. рис. ниже), а третья гармоника может составлять половину его амплитуды, этот ток обычно величиной менее 1 процента от номинального тока полной нагрузки.
Т.е. в целом трансформаторы не вызывают такой большой озабоченности, как, например, электронные преобразователи энергии, которые могут генерировать гармонические токи в 20 процентов от их номинала или выше. Тем не менее, влияние эмиссии гармоник будет существенным на промышленных объектах, которые имеют десятки и даже сотни трансформаторов в ТП, распределительных узлах, оборудовании, устройствах.
Имеет значение влияние на эмиссию/трансмиссию гармоник трансформаторами в силовой сети промышленного объекта:
- нагрузка распределительной сети, через ТП в точке общего присоединения происходит трансмиссия гармоник. Как правило, происходит значительное увеличение тройных гармонических токов в ранние утренние часы, когда нагрузка низкая, а напряжение повышается;
- режим работы промышленного объекта. При неполной нагрузке происходит перевозбуждение трансформаторов с усилением генерации гармоник, а в случае дисбаланса фаз увеличиваются амплитуды гармоник нулевой последовательности;
- гармонический спектр и амплитуды гармоник в питающей силовой сети, которые, по сути, определяют основную долю потерь в трансформаторах. Составляющие высоких гармоник (в том числе активных) проникают в обмотки трансформаторов и сокращают срок их службы из-за скин-эффекта с нагревом и пробоем изоляции, и в первую очередь это влияет на трансформаторы напряжения с разными вторичными обмотками.
Электродвигатели тоже являются источниками эмиссии гармоник, однако:
- в приводах с преобразователями гармонические токи (от двигателя) «замыкаются» на участке преобразователь-электродвигатель и понемногу рассеиваются в обмотках (или гасятся пассивным фильтром в случае комплектного частотного преобразователя);
- в решениях с запуском через конденсаторы или устройство плавного пуска гармоники спектра, схожего с гармоническим спектром трансформатора, вбрасываются в сеть выше места подключения.
Причем здесь возможен параллельный резонанс, как с фазосдвигающим (пусковым) конденсатором, так и конденсаторной батареей, установкой повышения коэффициента мощности, что определяет необходимость скрупулезного проектирования приводов, во всяком случае большой мощности.
Достаточно проблематичным в аспекте снижения уровня гармонических возмущений от электродвигателей, трансформаторов, частотных преобразователей приводов в силовой сети промышленного объекта является планирование режима работы силового оборудования. Это обусловлено тем, что по мере выхода оборудования в номинальный режим работы, с одной стороны гармонические искажения по спектру и амплитуде увеличиваются, а с другой – снижается КПД, хотя при грамотной фильтрации гармоник можно выйти на планируемую (или заявленную производителем) энергоэффективность.
