Harmonikų šaltiniai elektros tinkluose
Kadangi šiuolaikinėje elektrinėje, ypač pramoniniuose tinkluose, nuolat yra netiesinių elementų, dėl to srovės kreivės ir įtampos kreivės iškraipomos, tinkluose atsiranda aukštesnės harmonikos.
Visų pirma, nesinusiškumas atsiranda dėl statinių keitiklių, tada - sinchroninių generatorių, suvirinimo aparatų, fluorescencinių lempų, lankinių krosnių, transformatorių, variklių ir kitų netiesinių apkrovų.
Matematiškai srovės ir įtampos kreivių nesinusiškumas gali būti pavaizduotas kaip pagrindinės tinklo dažnio harmonikos ir jos aukštesnių harmonikų, kurios yra jos kartotiniai, suma. Harmoninės analizės rezultatas yra trigonometrinė Furjė serija, o gautų harmonikų dažnių ir fazių reikšmes galima lengvai apskaičiuoti naudojant formulę:
Tiesą sakant, susidaręs ne sinusinių įtampų ir srovių derinys trifaziame tinkle gali būti asimetriškas arba simetriškas.Simetriška nesiusoidinių įtampų sistema trijų harmonikų kartotiniams (k = 3n) veda prie nulinės sekos įtampų sistemos susidarymo.
Be to, esant k = 3n + 1, harmonika trifaziame tinkle sukuria simetrišką neigiamos sekos įtampų sistemą. Taigi kiekviena simetriškos nesiusoidinių įtampų sistemos k-harmonija sukuria simetrišką tiesioginės, atvirkštinės arba nulinės sekos fazių įtampų sistemą.
Tačiau praktikoje fazių nesinusoidinių įtampų sistema pasirodo esanti asimetrinė. Taigi, trifazių transformatorių magnetinės šerdys Jie patys yra netiesiniai ir asimetriški, nes vidurinės ir paskutinės fazės magnetinių takų ilgiai skiriasi 1,9 karto. Dėl to vidutinės fazės įmagnetinimo srovių efektyvios vertės yra 1,3–1,55 karto mažesnės nei galutinių fazių įmagnetinimo srovių vertės.
Asimetrinės harmonikos suskaidomos į simetrinius komponentus, kai kiekviena k-harmonija sudaro asimetrinę fazių įtampų sistemą ir paprastai susideda iš trijų sekų komponentų - nulinės, pirminės ir atvirkštinės.
Trifaziams tinklams su izoliuota neutrale būdinga tai, kad kiekvienoje fazėje nėra nulinės sekos komponentų, jei nėra įžeminimo gedimų. Dėl to fazių srovėse nėra trijų harmonikų kartotinių, tačiau yra kitų harmonikų, kuriose yra atvirkštinės ir teigiamos sekos komponentai.
Galios lygintuvai, kaip taisyklė, nuolatinės srovės pusėje turi didelius induktyvumus, tai yra nuolatinės srovės mašinų apvijos ir išlyginimo reaktoriai.Šie induktyvumai yra daug kartų didesni už ekvivalentinį kintamosios srovės pusės induktyvumą, todėl tokie lygintuvai kintamosios srovės tinklo atžvilgiu elgiasi kaip aukštesnės harmoninės srovės šaltiniai. Srovė, nukreipta į tinklą harmoniniu dažniu, turi vertę, kuri nepriklauso nuo maitinimo tinklo parametrų.
Trifaziams elektros tinklams būdinga naudoti trifazius pilnos bangos lygintuvus 6 vožtuvams kaip tokius keitiklius, iš kurių jie vadinami šešių impulsų arba šešių fazių. Kiekvienos fazės srovės kreivę šiuo atveju galima apibūdinti lygtimi (vienos fazės A srovei):
Matyti, kad fazinėse srovėse yra tik nelyginės harmonikos, kurios nėra trijų kartotiniai, o šių harmonikų ženklai kaitaliojasi: teigiamos 6k + 1 eilės harmonikos ir neigiamos 6k-1 eilės harmonikos.
Jei naudojamas dvylikos fazių lygintuvas, kai šešiafazių lygintuvų pora yra prijungta prie trifazių transformatorių poros (antrinės įtampos faziškai keičiamos pi / 6), tada harmonikos 12k + 1 ir 12k- Atitinkamai pasirodys 1 užsakymai.
Prieš naudojant lygintuvus, elektros tinkluose pagrindinis aukštesnių harmonikų šaltinis buvo tik transformatoriai ir įvairios elektros mašinos. Tačiau ir šiandien transformatoriai yra labiausiai paplitę elektros tinklų elementai.
Priežastis, dėl kurios transformatoriai sukuria didesnes harmonikas, yra netiesinė magnetinių grandinių įmagnetinimo kreivė ir nuolatinis histerezės kilpos… Netiesinė įmagnetinimo kreivė ir histerezės kilpa sukuria originalios sinusinės tuščiosios eigos įmagnetinimo srovės iškraipymus, todėl srovės, kurią transformatorius ima iš tinklo, harmonikos yra didesnės.
110 kV klasės transformatoriai turi ne daugiau kaip 1% tuščiosios eigos srovės, o 6-10 kV klasės transformatoriai - ne daugiau kaip 2-3%. Tai mažos srovės ir jų aktyvieji nuostoliai magnetinėje grandinėje yra nereikšmingi. Svarbi įmagnetinimo kreivė, o ne histerezės kilpa.
Įmagnetinimo kreivė yra simetriška ir Furjė serijos plėtinyje net nėra harmonikų. Įmagnetinimo srovės iškraipymą sukelia nelyginės harmonikos, tarp kurių yra trijų kartotiniai. Trečioji harmonika ypač ryški, tačiau penktoji ir septintoji harmonika taip pat reikšmingiausios.
EML harmonikos ir srovės harmonikos taip pat būdingos varikliams, tiek sinchroniniai, tiek asinchroniniai… Šias harmonikas sukelia tie patys reiškiniai, kaip ir transformatorių generuojamos srovės harmonikos – medžiagų, iš kurių pagaminti statorius ir rotorius, įmagnetinimo kreivės netiesiškumas.
Elektros variklių, kaip ir transformatorių, srovės harmonikų dažnių spektras apima nelygines harmonikas, tarp kurių akivaizdžiai yra trijų kartotiniai. Reikšmingiausios čia yra 3-oji, 5-oji ir 7-oji harmonika.
Kaip ir transformatorių atveju, apytiksliai skaičiavimai leidžia apskaičiuoti 3, 5 ir 7 harmonikų srovių procentinę dalį, kai trečioji harmonika yra 40 %, penktoji harmonika – 30 %, o septinta harmonika – 20 %. tuščiosios eigos srovė).