Анонс: Гармоники в силовой сети и их влияние на работу оборудования. Влияние гармоник на работу и потери электродвигателей в сетях низкого и низкого среднего напряжения.
Гармоники вызывают искажения формы сигналов напряжения и тока, что отрицательно сказывается на электрическом оборудовании и на текущий момент стали одной из основных проблем качества электроэнергии.
Оценка спектра гармоник от нелинейных нагрузок — это первый шаг в гармоническом анализе, что может быть непросто, поскольку существует взаимодействие между оборудованием, генерирующим гармоники, которое может иметь различную топологию, и самой электрической системой. В течение последних лет большое внимание было сосредоточено на анализе и контроле гармоник, были установлены стандарты для допустимых гармонических искажений тока и напряжения, для проектирования фильтров (базовые IEEE Std 519, IEC 61642, IEEE 1531-2020), а в нашей стране, помимо ГОСТ 32144-2013, ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, введен в действие пакет ГОСТ Р 59032.1/4-2020, хотя и направленный на высоковольтные сети.
Наиболее распространенные гармоники в энергосистемах — это синусоидальные составляющие периодической формы волны, частоты которых могут быть разложены на несколько кратных основной частоте. Все без исключения гармоники пагубно влияют на электрическое оборудование и из их спектра негативного воздействия можно условно выделить:
- отказ конденсаторных батарей из-за перегрузки реактивной мощности, резонанса и усиления гармоник;
- чрезмерные потери, нагрев, гармонические колебания в асинхронных и синхронных машинах, которые могут вызвать вихревые токи и напряжения;
- увеличение нагрузки по току обратной последовательности синхронных генераторов, повышающее риски пробоев обмотки ротора;
- генерация гармонических потоков и увеличение плотности тока в трансформаторах, нагрев обмоток и, как следствие, ухудшение рабочих характеристик;
- перенапряжения и чрезмерные токи в энергосистеме, возникающие в результате резонанса;
- ухудшение номинальных характеристик кабелей из-за дополнительного нагрева вихревыми токами и потерь из-за скин-эффекта с рисками пробоя диэлектрика изоляции;
- индуктивные помехи в телекоммуникационных цепях, ухудшающие качество и скорость обмена информационными данными;
- помехи сигналов и неисправности реле, особенно в твердотельных и микропроцессорных системах;
- помехи системам контроля пульсаций и линий электропередачи, вызывающие неправильную работу систем, которые выполняют дистанционное переключение, управление нагрузкой и измерение;
- помехи в работе контроллеров оборудования и т. д.
Влияние гармоник на работу и потери электродвигателей в сетях низкого и низкого среднего напряжения
Практически все промышленные, инфраструктурные объекты используют электродвигатели, работа которых ухудшается при воздействии гармоник, причем увеличиваются потери на трение в обмотках статора, ротора, паразитные потери в сердечнике и проводах. Эффективная индуктивность рассеяния ротора и статора уменьшается, а сопротивление повышается с увеличением частоты. При этом сопротивление ротора может увеличиваться в четыре-шесть раз по сравнению с величиной постоянного тока, в то время как реактивное сопротивление утечки может уменьшаться до доли значения основной частоты. Потери в меди статора увеличиваются пропорционально квадрату полного гармонического тока плюс происходит дополнительное повышение потерь из-за скин-эффекта на более высоких частотах. В целом общий коэффициент гармонических искажений в 11 % дает примерно 25 % снижения номинальных характеристик двигателей общего назначения.
Ухудшается ситуация при использовании электроприводов на современных инверторах PWM с IGBT-ключами, когда по мере нарастания напряжения обмотки двигателя ведут себя как цепь последовательно соединенных емкостных элементов и подвергаются перенапряжениям. Уже документально подтверждено увеличение частоты отказов изоляции, вызванных короткими замыканиями между двумя витками или замыканиями на землю из-за высоких напряжений при работе приводов с инверторами.
Кроме того, когда двигатель подключен с помощью длинных кабелей, импульсы с высоким dv=dt, генерируемые инверторами PWM, вызывают явление бегущей волны на кабелях, что приводит к усилению падающих и отраженных волн из-за неоднородности импеданса на клеммах двигателя, и напряжения могут достигать вдвое больше выходного напряжения инвертора. Падающая бегущая волна отражается от клемм двигателя, и происходит усиление падающей и отраженной волн, а из-за диэлектрических потерь и сопротивления кабеля возникают затухающие колебания, когда волна отражается от одного конца кабеля к другому.
Частота сигнала зависит от длины кабеля, скорости распространения волны и составляет от 50 кГц до 2 МГц, а тип кабеля между двигателем и системой привода и заземление играют важную роль в этом негативном явлении. Устраняют такие негативы только использованием фильтров гармоник — пассивных или активных, используя их одновременно с техническими средствами компенсации реактивной мощности на фундаментальной частоте.
