Virkningen af ​​harmonik på elektriske systemer

At forstå virkningerne af harmonik på elektriske systemer er meget nyttigt til at holde tingene kørende glat og sikkert.Harmonik er ændringer i den elektriske bølge, der kan forårsage forskellige problemer som for meget varme, udstyr, der bryder sammen og mindre effektivitet.Denne artikel forklarer de forskellige typer harmoniske, hvad der forårsager dem, og de problemer, de kan skabe i kraftsystemer, der bruges i brancher og virksomheder.Vi vil også se på måder at løse disse problemer på, som at bruge specielle filtre, transformere designet til at håndtere harmonik og regelmæssig kontrol af strømkvaliteten.Vores mål er at give en klar og enkel guide til styring af harmonik i elektriske systemer effektivt.

Katalog

Figur 1: Harmonik

Forståelse af harmonik i magtteknik

Harmonik er strømme eller spændinger ved højere frekvenser, der er multipla af den grundlæggende frekvens.De kan forårsage problemer som forvrængede bølgeformer, ekstra opvarmning og lavere effektivitet i elektrisk udstyr.Odd harmonik, der forekommer ved ulige multipler af den grundlæggende frekvens, øger forvrængning og opvarmning.Selv harmonik, der forekommer ved selv multipla af den grundlæggende frekvens, kan få transformere til at overophedes.Triplen Harmonics, som er en bestemt type ulige harmonik, kan overbelaste neutrale ledninger og også få transformere til at overophedes.

Harmonik kan opdeles i tre typer: positive, negative og nul sekvenser.Positive sekvens Harmonics tilføjer ekstra varme til systemet.Negativ sekvens Harmonics reducerer motorernes kraft og øger varmen.Nul -sekvensharmonik forårsager opvarmning i de neutrale ledninger.Total harmonisk forvrængning (THD) er et mål for virkningerne af harmonik, med højere værdier, der viser mere forvrængning.

I industrielle omgivelser skaber enheder som variable frekvensdrev en masse forvrængning.For at reducere disse problemer kan vi bruge filtre og specielle transformere designet til at håndtere høje niveauer af harmonik.Regelmæssigt kontrol af strømkvaliteten hjælper med at finde og løse harmoniske problemer og sikrer overholdelse af IEEE 519 standarder.Avancerede værktøjer kan måle op til den 511. harmoniske for at hjælpe med at styre disse problemer effektivt.

Typer af harmonik

Odd Harmonics

Figur 2: Odd Harmonics

Odd harmonik er harmonik, der er ulige multipla af hovedfrekvensen, som den 3., 5. og 7. harmonik.Disse harmoniske kan forårsage store problemer i kraftsystemer, fordi de kan skade elektrisk udstyr og få dem til at fungere dårligt.Når der er ulige harmonik, øger de modstandstab og hvirvelstrømstab i transformere.Modstandstab, også kaldet I²R -tab, sker, fordi de harmoniske strømme får lederne op med at varme op mere.Denne ekstra opvarmning skyldes den magt, der er mistet som varme på grund af modstanden hos lederne.Eddy strømtab sker, når inducerede strømme flyder inden for transformerens kerne, hvilket også genererer varme.Tilstedeværelsen af ​​harmonik forværrer disse effekter, fordi transformerkernen står over for magnetfelter med højere frekvens, som skaber flere hvirvelstrømme og mere varme.

Høje niveauer af ulige harmonik kan i høj grad påvirke, hvor godt en transformer fungerer.For at reducere risikoen for overophedning og mulig fiasko skal transformere ofte blive afsat, når der er høje niveauer af harmonik.Dering en transformer betyder at bruge den med en lavere kapacitet end dens nominelle kapacitet til at reducere opvarmningen forårsaget af harmonik.Dette holder transformeren i arbejde sikkert og får den til at vare længere.Derating involverer at finde ud af, hvor meget harmonisk indhold der er, og beregner de ekstra tab forårsaget af disse harmonik.Når disse tab er kendt, justeres transformerens belastningskapacitet for at forhindre, at den overophedes og sikrer, at det fungerer pålideligt.

Enkelt sagt involverer dering af en transformer på grund af ulige harmonik et omhyggeligt kig på belastningen harmonisk indhold.Ingeniører bruger strømkvalitetsmålere til at måle det harmoniske indhold og se, hvordan det påvirker transformeren.Dataene fra disse målinger bruges derefter til at finde ud af, hvor meget man skal reducere transformerens belastning for at holde dem i drift sikkert.

Endda harmonik

Figur 3: Selv harmonik

Selv harmonik er frekvenser, der er endda multipla af hovedfrekvensen, som 2. (120 Hz), 4. (240 Hz) og 6. (360 Hz) harmonik, når hovedfrekvensen er 60 Hz.I kraftsystemer er selv harmoniske normalt små, fordi de fleste ikke -lineære belastninger for det meste producerer ulige harmonik.Tilstedeværelsen af ​​jævn harmonik kan imidlertid vise specifikke problemer inden for det elektriske system.

Selv harmonik indikerer ofte en DC -forskydning i systemet.En DC -forskydning sker, når der er en jævnstrøm (DC) komponent blandet med den vekslende strøm (AC) bølgeform.Dette kan være forårsaget af halvbølge-ensretning, der forekommer på grund af en brudt ensretter.En ensretter er en enhed, der ændrer AC til DC, og når den går i stykker, kan den producere en ufuldstændig bølgeform, hvilket fører til en DC -forskydning.DC -offset introduceret af endda harmonik kan forårsage flere problemer i elektriske systemer.En væsentlig effekt er transformermætning.Når en transformer oplever en DC-forskydning, kan dens kerne blive magnetisk mættet under alternative halvcyklusser af AC-bølgeformen.Denne mætning fører til et overdreven træk af strøm, hvilket får transformeren til at overophedes og muligvis brænde den primære vikling ud.En DC -forskydning kan også forårsage mekaniske vibrationer og støj i transformere.Magnetisk mætning af kernen resulterer i stærk vibration, som kan være både højt og fysisk ødelæggende for transformatorstrukturen.Selv en lille DC -forskydning, mere end 1% af den nominelle strøm, kan forårsage disse alvorlige problemer.

Selv harmonik kan også bruges som et diagnostisk værktøj.Deres tilstedeværelse i et elektrisk system kan hjælpe med at identificere problemer relateret til ensrettere eller andre komponenter, der kan introducere en DC -komponent i systemet.Ved at overvåge og analysere endda harmonik kan ingeniører registrere og løse problemer tidligt, forhindre potentielle fejl og sikre pålidelig drift af strømfordelingssystemet.

Triplen Harmonics

Figur 4: Triplen Harmonics

Triplen Harmonics er en speciel type ulige multipler af den tredje harmoniske.Disse forekommer på 3., 9., 15. osv.De er unikt produceret af enfase-enheder og kan forårsage betydelige problemer i elektriske systemer.

Et stort problem forårsaget af triplen harmonik er overbelastningen af ​​neutrale ledninger.I et afbalanceret trefasesystem skal strømme i den neutrale ledning annullere hinanden.Triplen harmonik fra enfase-enheder annullerer imidlertid ikke i den neutrale ledning.I stedet tilføjes de sammen, hvilket forårsager overdreven strømme.Dette kan føre til overophedning og potentiel skade på den neutrale ledning.

Triplen Harmonics kan også forstyrre telefonlinjer.De højfrekvente dele af disse harmonik kan skabe støj i kommunikationslinjer, der kører parallelt med strømkabler.Denne støj kan reducere kvaliteten af ​​telefonsignaler og forstyrre kommunikationssystemer.

Et andet stort problem med Triplen Harmonics er overophedning af transformer.Transformere er bygget til at håndtere specifikke strøm- og spændingsniveauer.Triplen Harmonics øger RMS (Root Mean Square) strøm i transformatorviklingerne, hvilket forårsager ekstra opvarmning.Hvis transformeren ikke er designet til at håndtere denne ekstra varme, kan den føre til isoleringsopdeling og eventuel svigt.

For at reducere virkningerne af triplen-harmonik kan der anvendes specielle transformere kaldet K-klassificerede transformere.Disse transformere er designet til at håndtere højere harmoniske strømme uden overophedning.De har bedre kølesystemer og er lavet med materialer, der kan modstå den ekstra varme forårsaget af harmonik.

Harmonisk sekvens

En harmonisk sekvens beskriver, hvordan forskellige frekvenser af elektriske bølger interagerer med hovedbølgen, hvilket hjælper os med at forstå deres indflydelse på kraftsystemer.Der er tre hovedtyper af harmoniske sekvenser: positive, negative og nul.

Positive sekvensharmonik

Positive sekvensharmonik inkluderer frekvenser som 1., 4. og 7. harmonik.Disse harmoniske bevæger sig i samme retning som hovedbølgen.De øger strømmen i systemet og genererer ekstra varme i komponenterne.Denne ekstra varme kan skade isoleringen, reducere systemets effektivitet og få komponenter til at nedbrydes hurtigere end forventet.I motorer forstyrrer disse harmonik magnetfeltet, hvilket gør motoren at køre mindre effektivt og forkorte dens levetid.For at håndtere disse problemer er det nyttigt at bruge filtre eller andre enheder til at overvåge og reducere de positive sekvensharmonik.

Negativ sekvens harmonik

Negative sekvensharmonik inkluderer frekvenser som 2., 5. og 8. harmonik.Disse harmoniske bevæger sig i den modsatte retning til hovedbølgen.De reducerer motorernes kraft og skaber ekstra varme, som kan skade isoleringen, forårsage mekaniske vibrationer og forkorte motors og andre komponenters levetid.Transformatorer kan også opleve øgede tab og overophedning på grund af disse harmonik.Overvågning og installation af de rigtige filtre kan hjælpe med at styre den negative sekvensharmonik og deres bivirkninger.

Nul sekvens harmonik

Nul -sekvensharmonik inkluderer frekvenser som 3., 6. og 9. harmonik.Disse harmoniske skaber ikke et roterende magnetfelt, men akkumuleres i stedet i den neutrale ledning, hvilket får den til at overophedes og blive beskadiget.Dette er især problematisk i systemer med ikke-lineære belastninger.Brug af specielle transformere og harmoniske filtre kan hjælpe med at styre den ekstra varme og reducere det harmoniske indhold i systemet, hvilket forhindrer overophedning og skade på den neutrale ledning.

Årsager til elektriske harmonik

I industrielle omgivelser forårsager visse typer elektrisk udstyr ofte harmonisk forvrængning.Dette problem er almindeligt med enheder som variabel frekvensdrev (VFD'er) og invertere.Disse enheder ændrer vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC) og opretter derefter en variabel frekvens AC -output til at kontrollere motorhastigheder nøjagtigt i forskellige applikationer.

Under denne konvertering trækker disse enheder strøm på en ikke-lineær, ujævn måde i stedet for den glatte, bølglignende måde at regelmæssige belastninger på.Denne ujævne strømtrækning tilføjer harmoniske komponenter til det elektriske system, hvilket forårsager spændingsforvrængning.Hovedårsagen til denne ujævne strømtrækning er de interne elektroniske dele, som ensretter og skiftkredsløb, der kun trækker strøm på bestemte tidspunkter i AC -cyklus.For eksempel ændrer en VFD, der kontrollerer en industrimotor, først den indkommende AC til DC og derefter bruger en inverter til at oprette en variabel frekvens AC -output til at justere motorhastigheden.Rektificeringsstadiet involverer skiftende dele, der trækker strøm i bursts snarere end kontinuerligt.Dette brast af nuværende forvrænger bølgeformen og skaber harmonik.

Disse harmonik kan forårsage flere problemer i et industrielt kraftsystem.De kan øge opvarmningen i transformere og andre elektriske dele, hvilket reducerer deres effektivitet og levetid.Harmonisk forvrængning kan også forårsage følsomt elektronisk udstyr til funktionsfejl, øge energitab og potentielt forstyrre kommunikationssystemer.

For at reducere disse effekter designer udstyrsproducenter deres produkter til at opfylde Standarder for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC).Disse standarder begrænser mængden af ​​harmonisk forvrængning, som deres enheder kan introducere i kraftsystemet.EMC -standarder sikrer, at individuelle enheder ikke forårsager overdreven forvrængning, der kan påvirke hele kraftsystemet.Selv med EMC-kompatibelt udstyr kan den kombinerede effekt af mange enheder, der kører på samme tid, stadig forårsage betydelig harmonisk forvrængning.Dette gør det bydende nødvendigt at aktivt overvåge og styre harmonik i industrielle omgivelser.

Problemer, der er tilbøjelige til at forekomme på højere harmoniske niveauer

Problemer i motorer og generatorer

Harmonik kan forårsage store problemer i motorer og generatorer.Den ekstra varme, der er skabt af harmoniske strømme, kan nedbryde isoleringen og lægge stress på maskindelene.Dette kan få disse maskiner til at mislykkes før, have et kortere levetid og har brug for flere reparationer.Harmoniske vibrationer kan også forårsage slid på maskinerne, hvilket gør problemet værre.

Lavere effektivitet

Harmonik gør de resistive tab (I²R -tab) i ledninger og transformere værre.Disse tab skaber ekstra varme, hvilket gør elsystemet mindre effektivt.Den ekstra varme kan fremskynde aldring af isoleringsmaterialer, hvilket fører til hyppigere fejl og højere energiforbrug.

Uplanlagte afbryderrejser og blæst sikringer

Høje harmoniske niveauer kan få afbrydere til at rejse og sikringer til at blæse uden god grund.Dette sker, fordi harmonik kan forårsage for meget varme og magnetisk interferens i disse sikkerhedsanordninger, hvilket får dem til at fungere forkert.Denne uønskede udløb kan afbryde operationer, forårsage ikke -planlagt nedetid og har brug for mere vedligeholdelse.

Problemer med elektronisk udstyr

Elektroniske enheder er meget følsomme over for harmonisk forvrængning.Harmonik kan forårsage problemer i enheder som computere, kommunikationsudstyr og anden følsom elektronik.Interferensen fra harmoniske frekvenser kan ødelægge data, forårsage kommunikationsfejl og reducere ydelsen, hvilket kræver ekstra filtrering og beskyttelse.

Uventede resonanser

Harmoniske frekvenser kan blandes med de naturlige frekvenser af kraftsystemet og forårsage resonanser.Disse resonanser kan gøre harmoniske strømme og spændinger stærkere, hvilket fører til overspændinger, overophedning og mulig skade på udstyr.At finde og fastgøre resonansbetingelser hjælper med at forhindre alvorlige fejl i kraftsystemer.

Løsninger til at afbøde harmonik

Installation af filtre

Filtre er en praktisk og økonomisk løsning til reduktion af harmonik i strømdistributionssystemer.Harmoniske filtre er designet til at blokere eller reducere specifikke harmoniske frekvenser, hvilket kun giver basisfrekvensen mulighed for at passere.Denne proces hjælper med at rengøre den elektriske bølgeform og afbøde de bivirkninger af harmoniske.

For at implementere filtre effektivt er det bydende nødvendigt at udføre harmoniske undersøgelser.Disse undersøgelser involverer brug af strømkvalitetsanalysatorer til at måle de niveauer og typer af harmonik, der er til stede i systemet.Ved at identificere de specifikke harmoniske frekvenser og deres kilder, kan ingeniører designe og installere filtre, der er skræddersyet til at imødekomme systemets særlige behov.Der er forskellige typer filtre til rådighed, såsom passive, aktive og hybridfiltre, hver med dets specifikke applikationer og fordele.Passive filtre består af induktorer, kondensatorer og modstande.De er indstillet til at filtrere specifikke harmoniske frekvenser.Passive filtre er omkostningseffektive og enkle at implementere, men kan være voluminøse og mindre fleksible i dynamiske systemer.Aktive filtre bruger kraftelektronik til dynamisk at modvirke harmonisk forvrængning.De er mere alsidige og kan tilpasse sig skiftende harmoniske profiler i realtid.Aktive filtre er dyrere, men giver overlegen ydelse under betingelser for variable belastning.Hybridfiltre kombinerer passive og aktive filterkomponenter for at optimere ydeevne og omkostninger.De tilbyder en afbalanceret tilgang, der giver effektiv harmonisk afbødning med moderate investeringer.

Brug af høje K-faktor transformere

Figur 5: Høj K-Factor Transformer og dens nuværende bølgeform

Høje K-faktor-transformere er lavet til at håndtere den ekstra varme forårsaget af harmoniske strømme."K-faktoren" er en vurdering, der viser, hvor godt en transformer kan håndtere disse strømme uden at blive for varm.Disse transformatorer har bedre isolering og kølesystemer til at styre den ekstra varme fra harmonik.De kan slippe af med den ekstra varme, forhindre skader og gøre transformerens liv længere.Ved at håndtere højere harmoniske niveauer sænker disse transformere risikoen for overophedning og fiasko, hvilket gør strømdistributionssystemet mere pålideligt.

Brug af høje K-faktor-transformere kræver omhyggelig planlægning.De koster mere og er vanskeligere at installere end almindelige transformatorer.Processen starter med en detaljeret kontrol for at finde ud af den nødvendige K-faktor-rating til den specifikke anvendelse.Denne kontrol involverer at se på det harmoniske indhold af belastningen og forstå, hvordan det påvirker transformeren.Ingeniører bruger værktøjer til at måle de harmoniske niveauer og beregne den ekstra varme forårsaget af disse harmonik.

Når den rigtige K-Factor-vurdering er bestemt, er det næste trin at afbalancere de langsigtede fordele mod de oprindelige omkostninger.Høje k-faktor-transformatorer reducerer vedligeholdelsesbehov og forbedrer pålideligheden, hvilket kan kompensere for deres højere købs- og installationsomkostninger over tid.Imidlertid er det at installere disse transformere kompleks, så der kræves omhyggelig planlægning for at minimere forstyrrelser.Dette inkluderer planlægning af mulig nedetid til udskiftning eller installation af transformeren og overvejet alle påvirkninger på operationer.

Regelmæssige undersøgelser af strømkvalitet

Der er behov for regelmæssig strømkvalitetskontrol for at holde elektriske systemer sunde og køre godt.Disse kontroller involverer systematisk måling af elektriske egenskaber for at finde og løse potentielle problemer tidligt.Ved konstant overvågning af strømkvaliteten sikrer vi, at elektrisk udstyr fungerer godt, varer længere og er mere pålidelig.Der skal foretages målinger på nøglepunkter i systemet, som hvor strømmen kommer ind og ved distributionspaneler.Regelmæssig dataindsamling hjælper med at se mønstre, der kan vise udviklingsproblemer, som at øge niveauer af elektrisk støj eller spændingsændringer.Strømkvalitetsmålere, der måler spænding, strøm, elektrisk støj og pludselige ændringer, er de vigtigste værktøjer, der bruges i disse kontroller.Avancerede målere registrerer data over tid, hvilket giver et komplet billede af tendenser af strømkvalitet.At se på disse data hjælper med at finde forskelle fra normale forhold, hvilket giver mulighed for rettidige rettelser og reducerer risikoen for, at udstyr bryder sammen.

Overholdelse af IEEE 519 standarder

IEEE 519 -standarderne sætter regler for acceptable niveauer af spænding og nuværende forvrængning i elektriske systemer.Disse regler hjælper med at forhindre skader på udstyr og sikrer systemets pålidelighed.

Tabellen nedenfor viser IEEE 519-2014 standarder for total harmonisk forvrængning (THD) i spænding og strøm for forskellige spændingsniveauer:

Figur 6: Tabel, der viser total harmonisk forvrængning (THD) grænser for spænding og strøm ved forskellige spændingsniveauer

Strømkvalitetsanalysatorer er værktøjer, der hjælper med at måle harmonik op til den 511. harmoniske.Disse analysatorer leverer detaljerede data, der muliggør præcis overvågning og styring af strømkvalitet.De hjælper med at identificere specifikke harmoniske frekvenser og deres størrelser, hvilket muliggør målrettede løsninger.

Regelmæssig overvågning af strømkvalitet sikrer, at harmoniske niveauer forbliver inden for acceptable grænser og hjælper med at opdage potentielle problemer tidligt.Håndtering af harmonik involverer effektivt at finde og fastgøre kilder til forvrængning, såsom installation af harmoniske filtre og opgradering af transformere.

Konklusion

Harmonik i elektriske systemer kan forårsage mange problemer, såsom overophedning, udstyrsfejl og ineffektivitet.Ved at forstå de forskellige typer harmoniske - ulige, jævnt og triplen - og hvordan de påvirker elektriske dele, kan ingeniører bedre forudsige og løse disse problemer.Brug af løsninger som harmoniske filtre, specielle transformere, der håndterer ekstra varme og regelmæssig kontrol af strømkvaliteten, hjælper med at holde systemer pålidelige og effektive.Efter IEEE 519 -standarder sikrer, at harmoniske niveauer forbliver inden for sikre grænser og beskytter både udstyr og operationer.Håndtering af harmonik godt får ikke kun elektriske systemer til at vare længere, men forbedrer også ydelsen og reducerer vedligeholdelsesomkostninger, hvilket gør det til en vigtig del af moderne elektroteknik.

Ofte stillede spørgsmål [FAQ]

1. Hvad er farerne ved harmoniske?

Farerne ved harmonik inkluderer overophedning af elektrisk udstyr, for tidlig isoleringssvigt, øgede tab, funktionssvigt i følsom elektronik, generende snuble af afbrydere og potentielle resonansbetingelser, der kan forårsage alvorlig skade på komponenter.

2. Hvad er virkningerne af harmonik på strømkvalitet og tab i strømdistributionssystemer?

Harmonik nedbryder strømkvaliteten ved at fordreje spænding og nuværende bølgeformer, hvilket fører til øgede tab i transformere og ledere, reduceret effektivitet, overophedning og interferens med følsomt udstyr, hvilket kan resultere i operationelle fejl og øgede vedligeholdelsesomkostninger.

3. Hvad er en væsentlig årsag til harmonik i et elektrisk system?

En væsentlig årsag til harmonik i et elektrisk system er tilstedeværelsen af ​​ikke-lineære belastninger, såsom variable frekvensdrev, invertere, ensretter og andre elektroniske enheder, der trækker strøm på en ikke-sinusoidal måde, der introducerer harmoniske strømme i systemet.

4. Hvad er virkningen af ​​harmonik på strømfaktoren i et distributionssystem?

Harmonik påvirker strømfaktoren i et distributionssystem negativt ved at øge den tilsyneladende effekt, hvilket får mere strøm til at blive trukket for den samme mængde reel strøm.Dette resulterer i lavere effektivitet og højere driftsomkostninger på grund af øgede tab og reduceret kapacitet for systemkomponenterne.

5. Hvad er harmonikerne i et elektrisk strømdistributionssystem?

Harmonik i et elektrisk effektfordelingssystem er strømme eller spændinger ved frekvenser, der er heltalmultipler af basisfrekvensen (60 Hz i USA).De er resultatet af ikke -lineære belastninger og forårsager forvrængning i bølgeformen, hvilket fører til forskellige drifts- og effektivitetsproblemer i systemet.