Гармоники тока и напряжения в электротехнике

Качество поступающей электроэнергии обеспечивает правильную работу электроприборов, гарантирует их надёжность и долговечность. В быту и на производстве при использовании переменного тока предполагается, что он представляет собой идеальный синусоидальный сигнал. На практике это не соответствует действительности.

В реальной жизни форма сигналов является неправильной, имеющей искажения и провалы. Одной из распространённых причин такой проблемы считается воздействие паразитных токов. Знание того, что такое гармоники, понимание физики процесса поможет уменьшить их негативный эффект.

Что такое гармоники

Расскажем, что представляют собой гармоники в электрических сетях для чайников. Теоретически считается, что графики переменного напряжения и тока должны иметь правильную форму. Однако в сети присутствуют сигналы с частотой, кратной основной. Обычно это связано с тем оборудованием, которое потребляет электроэнергию из сети. На самом деле сеть не существует изолированно, а испытывает влияние со стороны подключённых к ней нелинейных нагрузок.

Сигнал, получаемый потребителями, представляет собой сумму не только основного сигнала, но и нескольких гармоник. Уровень их влияния характеризуется коэффициентом искажений. Учитывать влияние нелинейных нагрузок нужно обязательно, но для этого надо понимать природу гармоник и знать, как можно снизить их искажающее воздействие. Гармоники тока и напряжения в электросетях могут обладать разрушительным действием для электрооборудования. Токи высших гармоник способствуют возникновению паразитических импульсов.

С физической точки зрения гармоники представляют собой колебания, кратные частоте основного сигнала. Как известно, в электросетях применяется частота 50 Гц. Таким образом, частота 1-й гармоники составит 50 Гц, 2-й – 100 Гц, 3-й – 150 Гц и так далее. Как видим, третья гармоника имеет период втрое меньший, чем основная гармоника. Каждая из этих характеристик влияет на форму графика напряжения в том виде, в котором оно поступает к потребителям.

Иногда рассматривается нулевая гармоника, представляющая собой среднее значение синусоидального сигнала за определённый период. Наличие паразитных токов меняет его вид до неузнаваемости. Например, высшие гармоники в трехфазных цепях способны разбалансировать нулевую фазу. Высшими принято называть те, частота которых превышает 50 Гц. Бывают также нечетные и четные гармоники, что определяется их номером. Например, вторая является четной.

На изображении выше показаны гармоники тока и напряжения. Верхний график отображает их сумму. Фактически гармоника напряжения в электротехнике – это паразитическая ЭДС, которая попадает в сеть. Из-за своего нестандартного поведения она остаётся невостребованной электроприборами и играет негативную роль.

Фактически паразитные токи генерируются потребителями. Во время работы электроприборов происходят процессы, которые вносят активный вклад в формирование гармоник. Большинство устройств способно оказывать такое влияние на электросеть. В некоторых случаях гармонические составляющие электрического напряжения приводят лишь к краткосрочным искажениям.

Величину гармоники можно определить по формуле:

Эту формулу также используют для определения величины частоты и фазы какой-либо гармонической составляющей электросети или любого синусоидального сигнала.

Классификация

Существуют различные виды гармоник. Их делят не только по номеру, но и другим признакам:

• Если учитывать путь распространения, то они могут называться кондуктивными или пространственными.
• Гармоники следует разделять по продолжительности, так как некоторые являются импульсными, а воздействие других может иметь длительный характер.
• Иногда учитывают степень прогнозируемости возникновения. Оно может быть случайным или иметь систематический характер.

Длительные изменения обычно связаны с регулярной циклической нагрузкой сети, если речь при этом идёт о мощных потребителях.

Источники возникновения гармоник

Обычно воздействие на электросеть создаётся мощными нелинейными нагрузками оборудования, подключенного к ней. Источниками чаще всего являются:

• Сварочные аппараты и другие устройства, которые формируют электрическую дугу.
• Разновидности энергосберегающих ламп, в число которых, например, входят газоразрядные, дуговые и люминесцентные.
• Среди бытовых приборов наиболее сильным влиянием обладают микроволновые печи.
• Офисная техника.
• Насыщаемые приборы, к которым, в частности, относятся двигатели, трансформаторы, использующие магнитопривод.
• Различное силовое оборудование, в том числе приводы постоянного и переменного тока, печи, использующие высокое напряжение для плавки металла, преобразователи частоты.

Влияние нелинейных нагрузок считается существенным при условии, что суммарная мощность составляет не менее 20% от нагрузочной способности электрической сети. Если указанное условие выполняется, необходимо принимать специальные меры для борьбы с искажениями.

Наносимый вред

На первый взгляд трудно определить, насколько гармоники влияют на работу электроприборов. Чтобы понимать, в чём состоит наносимый им вред, нужно принять во внимание следующее:

• Гармоники фактически создают паразитные токи, которые негативно сказываются на оборудовании. В качестве примера можно рассмотреть то, как они влияют на электродвигатели. В этом случае паразитные токи могут стать причиной шума и вибраций, которые разрушительно действуют на технику. В сервооборудовании влияние гармоник может приводить к ложным срабатываниям.
• В возникновении коротких замыканий также виноваты гармоники.
• Наличие гармоник приводит к перегрузке электросети, из-за которой приборы получают ток или напряжение, выше тех с которыми они могут работать.
• Повышается интенсивность использования оборудования, что приводит к его преждевременному износу.
• Происходит преждевременный износ изоляции проводов, что часто становится причиной аварийной ситуации. При этом происходит нагрев оболочки, а также возникают в ней нежелательные химические процессы.
• Высокое напряжение и паразитные токи – одна из причин неисправности электронной техники.
• Появляются помехи в работе при произведении записи звука или при передаче данных.
• В трехфазных сетях возникает перегрузка нулевого провода, что снижает стабильность их работы.

Чтобы исключить негативное влияние, необходимо принимать специальные защитные меры. Они снизят искажения и обеспечат стабильную работу электроприборов.

В качестве примера опасной ситуации, связанной с наличием паразитных токов, можно привести разбалансировку нулевого провода в трехфазном питании. Обычно нагрузки на каждую фазу являются симметричными. Они компенсируют друг друга и позволяют нулевому проводу выполнять свои функции.

Когда к одной из фаз подключается мощный потребитель, это приводит к возникновению гармоник. При этом не только меняется поведение конкретной фазы, но и соотношение других фаз, что способствует появлению разбалансировки. Поскольку симметрия нарушается, то взаимная компенсация фаз искажается и по нулевому проводу начинает идти ток.

Вследствие этого в бытовых розетках вместо 220 Вольт может быть значительно большая величина, что приводит к нарушению работы электроприборов, возникновению коротких замыканий или к другим последствиям.

Если не обращать должного внимания на описываемую здесь проблему, то это может привести к следующим последствиям:

• Проведение внепланового дорогостоящего ремонта.
• Поломка оборудования, которая потребует его замены.
• Ложное срабатывание при осуществлении автоматических процессов приведёт к получению брака.
• Короткое замыкание может стать причиной возгорания и возникновения пожара.

Поэтому важно своевременно распознать проблему и принять меры для её устранения.

Как защититься от воздействия гармоник

Существуют стандартные схемы для защиты от так называемых паразитических гармоник. Их эффективность доказана на практике. Наиболее популярными являются следующие:

• Использование резистора для нейтрализации паразитного тока. При его применении излишняя электрическая энергия будет преобразована в тепловую.
• Использование специальных фильтров, которые подавляют возникшие в сети паразитические гармоники.

Чтобы применить защитные меры, сначала необходимо провести диагностику сети. Для этой цели применяются приборы проверки качества электроэнергии. Они обычно могут одновременно контролировать не менее 10 её характеристик. В частности, нужно определить полную мощность, а также активную, реактивную и гармоники, которые реально присутствуют в сети и их силу. Следует обратить внимание на наличие провалов или перенапряжений в электросети.

LC-фильтры

Наиболее часто используют защитные схемы, которые называют LC-фильтрами. Они состоят из линейного дросселя и конденсатора.

Катушка имеет индуктивное сопротивление, которое тормозит резкие изменения силы тока, создавая заряд, противоположный по направлению. Конденсатор сглаживает колебания напряжения. При его увеличении пластины накапливают заряд. Когда напряжение снижается, они отдают его. Таким образом замедляются перепады напряжения. Это уменьшает гармоническое искажение и, следовательно, эффект негативного воздействия.

При точном подборе параметров катушки и конденсатора фильтр будет полностью компенсировать воздействие одной конкретной гармоники и отчасти препятствовать влиянию других. Для максимальной эффективности необходимо использовать отдельные фильтры для каждой существующей в сети гармоники.

Ещё одна сложность состоит в том, что некоторые гармоники усиливают действие других. Например, гашение пятой усилит седьмую. Полный фильтр, созданный с использованием указанной схемы, должен учитывать их взаимное влияние.

Шунтирующий фильтр

Схема шунтирующего фильтра строится на использовании последовательного соединения катушки и конденсатора.

Чтобы подобрать наиболее эффективный способ защиты, необходимо детально проанализировать гармонические составляющие, нагрузку, коэффициенты амплитуды и мощности для конкретной сети.

Видео по теме