W idealnym przypadku w sieci elektrycznej powinno występować napięcie przemienne, które zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym z częstotliwością 50 Hz (50 razy na sekundę), jeśli mówimy o sieciach domowych. W praktyce sytuacja jest inna – napięcie jest dalekie od sinusoidalnego, jest zniekształcone nie tylko na frontach, ale i na całej swojej długości, wypełnione różnymi impulsami i szumami. Zjawisko to nazywane jest harmonicznymi w sieciach elektrycznych. W tym artykule przyjrzymy się bliżej, co to jest i dlaczego harmoniczne są niebezpieczne dla sprzętu podłączonego do sieci.
Zadowolony:
- Wyznaczanie harmonicznych
- Źródła zakłóceń
- Konsekwencje zakłóceń harmonicznych
Wyznaczanie harmonicznych
Wykres sygnału, który zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym, wygląda następująco:
Ale różni się to znacznie od rzeczywistej formy napięcia w sieci elektrycznej:
Te wyszczerbienia i kolce są spowodowane harmonicznymi. Postaramy się opisać to zjawisko w prosty sposób. Powyższy wykres można traktować jako sumę sygnałów o różnej częstotliwości i wielkości. Jeśli dodasz to wszystko, wynik jest właśnie takim sygnałem. Przykład i wynik dodawania sygnałów przedstawia poniższy wykres:
Harmoniczne są rozróżniane według liczb, gdzie pierwsza harmoniczna jest składową o największej wartości. Ten opis jest jednak zbyt krótki. Dlatego podajmy wzór na określenie wielkości harmonicznej. Jest to możliwe dzięki analizie harmonicznej i rozszerzeniu szeregu Fouriera:
Z tego wzoru można wyodrębnić wartości częstotliwości i faz składowych harmonicznych sieci elektrycznej i dowolnego innego sygnału sinusoidalnego.
Źródła zakłóceń
Źródła zakłóceń obejmują różnorodne urządzenia, od urządzeń gospodarstwa domowego po potężne przemysłowe maszyny elektryczne. Najpierw rzućmy okiem na przyczyny ich występowania.
Harmoniczne w sieci elektrycznej prądu przemiennego wynikają z właściwości urządzeń elektrycznych, na przykład ze względu na nieliniowość ich właściwości lub charakter poboru prądu.
Na przykład w sieciach trójfazowych w obwodach magnetycznych transformatorów długości ścieżek magnetycznych fazy środkowej i skrajnej różnią się prawie 2 razy, dlatego ich prądy magnesujące różnią się nawet półtora raza. Stąd harmoniczne powstają w sieciach trójfazowych.
Inne źródło ingerencja w elektrotechnice są to silniki elektryczne, zarówno trójfazowe synchroniczne, jak i asynchroniczne oraz jednofazowe, w tym uniwersalne silniki kolektorowe. Ten ostatni typ silnika jest stosowany w większości urządzeń gospodarstwa domowego, na przykład:
- pralki;
- Roboty kuchenne;
- wiertarki, szlifierki, wiertarki udarowe itp.
W wyniku działania zasilaczy impulsowych w sieci elektrycznej powstają harmoniczne o wysokiej częstotliwości (zakłócenia). Aby zrozumieć, w jaki sposób powstają, potrzebujesz informacji o ich wewnętrznej strukturze. Wynika to z faktu, że prąd uzwojenia pierwotnego UPS różni się od prądu ciągłego, płynie tylko wtedy, gdy przełącznik półprzewodnikowy mocy jest otwarty. A ta ostatnia otwiera się i zamyka z częstotliwością powyżej 20 kHz.
Interesujący:Częstotliwość robocza niektórych nowoczesnych zasilaczy impulsowych sięga 150 kHz.
Filtry EMI, takie jak dławiki i kondensatory trybu wspólnego, służą do redukcji tych harmonicznych. Aby poprawić wykres poboru prądu w stosunku do napięcia jednofazowego zasilania, stosuje się aktywne korektory współczynnika mocy (rus. KKM, inż. PFC).
Te zasilacze są instalowane w:
- Lampy LED;
- Stateczniki elektroniczne do lamp fluorescencyjnych;
- zasilacze komputerowe;
- nowoczesne ładowarki do telefonów komórkowych;
- Telewizory i inny sprzęt.
Do tych źródeł zasilania można również przypisać przetwornice częstotliwości.
Konsekwencje zakłóceń harmonicznych
Obecność harmonicznych w sieci prądu przemiennego powoduje pewne problemy. Wśród nich - zwiększone nagrzewanie silników elektrycznych i przewodów zasilających. Skutki harmonicznych to wibracje silnika. Dalsze konsekwencje mogą być różne - od przyspieszonego zużycia łożysk wirnika silnika, po awarię obudowy uzwojenia z powodu zwiększonego nagrzewania.
W elektryce występują fałszywe alarmy urządzeń łączeniowych i ochronnych - wyłączników, styczników i rozruszników magnetycznych. Zakłócenia występują w sprzęcie audio i komunikacyjnym z powodu harmonicznych. Zwalcza się je w ten sam sposób - instalując filtry zakłóceń elektromagnetycznych.
Poniższy film opisuje, jakie harmoniczne i interharmoniczne występują w sieci energetycznej:
Podsumowując, chciałbym zauważyć, że harmoniczne w sieciach elektrycznych w zasadzie nie przynoszą żadnych korzyści. Powodują jedynie awarie, fałszywe alarmy urządzeń przełączających i inne przejawy niestabilności w działaniu. Może to powodować nie tylko niedogodności w eksploatacji, ale także problemy ekonomiczne, straty i wypadki, które mogą zagrażać życiu.
Powiązane materiały:
- Dlaczego wyłącznik działa?
- Spadki napięcia w sieci
- Przyczyny wypalania lamp LED
