Як поводитися з гармоніками в електроенергетичних системах

Хоча музичні гармоніки можуть бути приємними для вуха, гармоніки електричного струму - все більша проблема в енергосистемах. Обладнання та кабелі можуть перегрітися, двигуни можуть бути пошкоджені, а ваш рахунок за електроенергію може бути набагато вищим, ніж потрібно.

Не вдаючись до рівнянь Фур’є або не вимагаючи рівня електротехнічних знань, давайте розглянемо причину гармонік в сучасних енергосистемах та те, як огляд енергетики ваших об'єктів може допомогти вирішити проблему.

Гармонічні хвилі порівняно із звичайними хвилями змінного струму та напруги

Словникове визначення “гармонік”: Хвиля, частота якої ціле число, кратна іншій хвилі.

Звичайною формою хвилі змінного струму в більшості електричних ланцюгів є синусоїда, яка змінює напрямки на певній частоті, як правило, 50 або 60 герц. Лінійне електричне навантаження тягне струм з тією ж частотою та формою синусоїдальної хвилі, що і частота напруги та форма хвилі, хоча час або фаза між струмом та напругою можуть змінюватися.

Приклади лінійних навантажень включають освітлення лампами розжарювання та електронагрівачі. Навантаження для двигунів постійного струму змінного струму майже лінійне, а струм навантаження - це синусоїда з дуже незначними спотвореннями, оскільки лінійні навантаження відносно стабільні і не дають ніяких нових частот (гармонік).

Однак нелінійні навантаження спричиняють гармоніки, оскільки вони вживають струм на частотах, відмінних від 60 Гц, різкими та нерівномірними імпульсами. Потім ці несинусоїдальні спотворення у формах струму та напруги накладаються на декілька частот на основній частоті. Ці множинні частоти називаються гармоніками.

Офіси мають багато джерел нелінійних навантажень, які є генераторами гармонік, таких як комп’ютери, принтери, копіювальні апарати та світлодіодні драйвери для флуоресцентного освітлення. Промислові джерела нелінійних навантажень включають джерела безперебійного живлення, випрямлячі, приводи змінної частоти/швидкості для двигунів, програмовані контролери та флуоресцентне освітлення.

Трифазна хвиля змінного струму - додайте третю гармоніку

Гармоніки можуть проникнути у вашу енергосистему

Відсоток нелінійних навантажень в офісних будівлях та промислових приміщеннях збільшився за останнє десятиліття, оскільки освітлення лампами розжарювання замінюється флуоресцентним, оскільки до комп'ютерної мережі підключається більше комп'ютерів та програмованих контролерів, і оскільки більша кількість електродвигунів використовує приводи змінної частоти (VFD). Гармонічні порушення також можуть передаватися від мережі, якщо на вхідній потужності є нефільтрований конденсатор з корекцією коефіцієнта потужності.

Треті гармоніки спричинені джерелами живлення в комп’ютерах та електронними баластами, і можуть спричинити нейтральний струм, більший за фазові струми.

П'ята і сьома гармоніки, вироблені трифазними мостовими випрямлячами в джерелах живлення шестиімпульсних VFD, створюють пульсуючі моменти, які можуть спричинити вібрацію валу, пошкодити підшипники та муфти двигуна.

Більш високі гармонічні спотворення можуть також призвести до неприємних спрацьовувань автоматичних вимикачів, перегріву кабелів та обладнання та передчасного виходу з ладу електричного обладнання. Трансформатори можуть швидко перегріватися і виходити з ладу після зміни навантаження внаслідок заміни або додавання електрообладнання, встановлення VFD і модернізації електронних баластів. Безпека виробництва заводу може бути під загрозою.

Наскільки погані ваші гармоніки?

Стандарт IEEE 519 надає рекомендації щодо прийнятних значень загальних гармонічних спотворень (THD). Його акцент зроблений на точці спільного зчеплення. Стандарт також спрямований на обмеження пошкодження конденсаторів з корекцією коефіцієнта потужності (PFC) та систем фільтрів гармонік від надмірних гармонік, а також на запобігання послідовному або паралельному резонансу в електричній системі.

Мета полягає в обмеженні THD менше ніж 5% там, де промислова енергосистема підключена до комунальної мережі. Якщо ваші значення THD перевищують значення IEEE 519, важливо визначити, чи не викликають гармоніки проблеми.

Гармоніка та поганий коефіцієнт потужності можуть коштувати вам грошей

Гармоніки та коефіцієнт потужності безпосередньо не пов’язані, але вжиття заходів щодо вилікування коефіцієнта потужності може посилити проблему гармонік. Коефіцієнт потужності - це відношення (від -1 до +1) фактичної потужності, яка використовується навантаженням, порівняно з видимою потужністю, наявною в ланцюзі. Зміна від одиниці або коефіцієнта потужності до 1 до іншого числа, що веде або відстає, означає, що струм зміщується щодо напруги, що подається.

Коефіцієнт потужності 1 означає, що струм не втрачається і не спотворюється. Коефіцієнт потужності 1 говорить про те, що весь струм йде на корисну роботу. Будь-яке число менше 1 означає, що частина прикладеної напруги переходить у магнітну або інші форми енергії, які не втрачаються, але коли вона повертається, вона зміщує струм. Низький коефіцієнт потужності означає, що ви не в повній мірі використовуєте електроенергію, яку купуєте, коли місцева комунальна служба стягує "штраф за коефіцієнт потужності" або виставляє вам рахунок за використання кВА замість вашої потреби в кВт. Цей струм збільшується і спричиняє втрати в системі, і це те, що комунальне підприємство намагається покрити ці втрати вищими витратами на попит або штрафами за коефіцієнт потужності.

Щоб зрозуміти коефіцієнт потужності, давайте розглянемо келих пива. Скло представляє видиму потужність, або кВА. Фактичне пиво у вашій склянці - це фактична потужність або кВт. Будь-яка піна у верхній частині склянки - це реактивна потужність або kVAR. Він не виконує корисної роботи, але використовується, наприклад, для підтримки магнітного потоку в двигунах.

Чим більше у вас піни, тим менше у вас пива, але ви все одно заплатили за повну склянку. Подібним чином, ваше комунальне підприємство буде стягувати плату за видиму потужність, яка є сумою фактичної потужності плюс реактивної потужності.

Зменшення гармонік і підвищення коефіцієнта потужності

Ретельний енергетичний аудит, проведений інженером-електриком, може принести вражаючу віддачу від покращення коефіцієнта потужності. Але без рекомендацій фахівців спроби покращити коефіцієнт потужності можуть погіршити гармоніку. Встановлення таких компонентів, як конденсатори, для корекції коефіцієнта потужності може насправді посилити гармонійно-резонансні спотворення напруги. Це може спричинити високі стрибки напруги на клемах конденсатора та призвести до їх передчасного виходу з ладу. Сам елемент, встановлений для зменшення показників коефіцієнта потужності (конденсатор), може самознищитись, оскільки гармонічні струми підсилюються лише правильними електричними умовами системи.

Якщо у вас не більше 20% електричного навантаження від генераторів гармонік і немає конденсаторів з корекцією коефіцієнта потужності, у вас не повинно виникати значних проблем з гармонікою.

Однак, якщо конденсатори з корекцією коефіцієнта потужності нефільтровані встановлені в системі із значними генераторами гармонік, Matrix може проаналізувати сприйнятливість електричної системи вашого об'єкта до загальних гармонічних спотворень. Ми також можемо переглянути безліч тарифів на комунальні послуги та визначити, чи погано впливає на ваші витрати поганий коефіцієнт потужності.

Matrix Technologies - одна з найбільших незалежних компаній з проектування процесів, енергетичних систем, інженерії промислової автоматизації та управління виробничими операціями в Північній Америці. Щоб дізнатись більше про можливості наших систем електроенергетики та рішення щодо управління виробничим процесом, зв’яжіться з Вінсом Трейхелем, PE.