Co powoduje harmoniczne w systemach elektrycznych?

Harmoniki w systemach elektrycznych są powodowane przez obciążenia nieliniowe, które generują nieharmoniczne fale prądowe lub napięciowe w systemach prądu przemiennego. Harmoniki to składowe sinusoidalne o całkowitych wielokrotnościach częstotliwości innej niż częstotliwość podstawowa. Poniżej przedstawione są niektóre główne przyczyny harmonik w systemach elektrycznych:

Obciążenie nieliniowe

Obciążenia nieliniowe to takie, w których prąd nie jest liniowo związany z napięciem. Ten typ obciążenia jest powszechny w systemach energetycznych, a główne źródła obejmują:

• Wprostownik: urządzenie używane do konwersji prądu przemiennego na prąd stały, takie jak adapter zasilania, przetwornica częstotliwości, itp.

• Zasilacz impulsowy: zasilacz szeroko stosowany w nowoczesnym sprzęcie elektronicznym, takim jak zasilacze komputerowe, ładowarki telefonów komórkowych, itp.

• Inwerter: urządzenie używane do konwersji prądu stałego na prąd przemienny, często spotykane w systemach fotowoltaicznych, stacjach ładowania pojazdów elektrycznych, itp.

• Sterownik częstotliwości: urządzenie używane do sterowania prędkością silnika, szeroko stosowane w dziedzinie automatyzacji przemysłowej.

• Spawarka łukowa: podczas procesu spawania generowany jest prąd nieliniowy.

• Lampy wyładowcze: takie jak lampy fluorescencyjne, wysokonapięciowe lampy sodowe, itp., generują harmoniki podczas startu i działania.

Sprzęt elektroniki mocy

Szeroko stosowane w nowoczesnych systemach energetycznych urządzenia elektroniki mocy są również ważnymi źródłami harmonik:

• Przetwornica częstotliwości: używana do sterowania prędkością i momentem obrotowym silnika prądu przemiennego, jej zasada działania prowadzi do generowania harmonik.

• UPS (nieprzerwanie zasilanie): harmoniki powstają podczas przełączania na tryb zasilania z baterii.

• Konwerter: urządzenie używane do zmiany częstotliwości prądu przemiennego, takie jak konwerter używany w elektrowni wiatrowej.

Silniki i transformery

Nawet w tradycyjnych silnikach i transformatorach mogą wystąpić lekkie harmoniki z powodu efektów, takich jak nasycenie magnetyczne:

• Silniki: szczególnie w fazie startu, harmoniki mogą być generowane z powodu wpływu nieliniowych krzywych namagnesowania.

• Transformator: gdy transformator działa w strefie nasycenia, również powstają harmoniki.

Problemy związane z siecią

• Niebilansowane obciążenie: niebilansowane obciążenie w systemie trójfazowym może powodować, że prąd neutralny zawiera harmoniki.

• Długodystansowa transmisja: w procesie długodystansowej transmisji indukcyjność i pojemność linii mogą prowadzić do wzmacniania harmonik.

Inne czynniki

• Starzenie się sprzętu energetycznego: starszy sprzęt energetyczny może generować dodatkowe harmoniki ze względu na degradację wewnętrznych komponentów.

• Błędy projektowe: słabo zaprojektowane systemy energetyczne mogą prowadzić do wzmacniania lub generowania harmonik.

Efekty harmonik

Harmoniki mogą powodować wiele negatywnych skutków dla systemów energetycznych, w tym, ale nie tylko:

• Zwiększone straty w urządzeniach: harmoniki mogą prowadzić do dodatkowych strat w silnikach, transformatorach i innym sprzęcie, skracając ich żywotność.

• Zmniejszenie wydajności systemu: harmoniki mogą zmniejszać wydajność systemu i zwiększać zużycie energii.

• Wpływ na dokładność pomiarów: harmoniki będą zakłócać dokładność pomiarów licznika energii, prowadząc do niepoprawnego obliczania opłat za energię.

• Zakłócanie systemu komunikacyjnego: harmoniki będą zakłócać system komunikacyjny, wpływając na jakość transmisji sygnałów.

• Wzbudzanie rezonansu: w niektórych przypadkach harmoniki mogą rezonować z cewkami i kondensatorami w systemie, powodując poważne problemy z jakością energii.

Zasady tłumienia harmonik

Aby zmniejszyć wpływ harmonik, zwykle stosuje się następujące środki:

• Filtry: instalacja filtrów pasywnych lub aktywnych do absorpcji lub zrównoważenia harmonik.

• Zwiększenie indukcyjności obciążenia: poprzez zwiększenie indukcyjności obciążenia do tłumienia harmonik.

• Poprawa charakterystyki obciążenia: używanie obciążenia o niskiej zawartości harmonik, takiego jak prostownik trójfazowy zamiast jednofazowego.

• Dynamiczna kompensacja reaktywnej mocy: używanie sprzętu, takiego jak SVG (generator statycznej reaktywnej mocy) do dynamicznej kompensacji reaktywnej mocy.

Podsumowanie

Harmoniki w systemach elektrycznych są głównie powodowane przez obciążenia nieliniowe, takie jak wprostowniki, zasilacze impulsowe, inwertery, sterowniki częstotliwości, itp. Harmoniki mogą negatywnie wpływać na wydajność i niezawodność systemu energetycznego, dlatego konieczne jest podjęcie odpowiednich środków do tłumienia lub eliminacji harmonik.