Что такое гармоники в электрических системах, и что их вызывает?

В электрической системе гармоники — это компоненты с частотами, которые являются целочисленными кратными основной частоты, полученные при разложении периодической несинусоидальной переменной величины через ряд Фурье, и их обычно называют высшими гармониками.

Основные причины возникновения гармоник следующие:

• Существование нелинейных нагрузок: Это главная причина генерации гармоник. Например, силовые электронные устройства, включая выпрямители, инверторы и преобразователи частоты, полупроводниковые устройства внутри которых искажают формы тока и напряжения во время работы, создавая гармоники. Возьмем выпрямитель как пример. Он преобразует переменный ток в постоянный. В процессе преобразования входной ток будет иметь несинусоидальную форму и содержать большое количество гармонических составляющих. Кроме того, оборудование, такое как дуговые печи и люминесцентные лампы, также являются распространенными нелинейными нагрузками. В процессе плавки стали в дуговой печи, нестабильность дуги приведет к колебаниям тока и генерации гармоник. Из-за функции балласта в люминесцентной лампе форма тока также будет искажена, создавая гармоники.

• Ток возбуждения трансформаторов: При работе трансформатора происходит магнитное насыщение его железного сердечника, что приводит к тому, что ток возбуждения больше не является синусоидой, таким образом, возникают гармоники. Особенно, когда трансформатор включается без нагрузки или работает под небольшой нагрузкой, гармонические составляющие в токе возбуждения будут более заметными.

• Несбалансированность системы питания: Когда нагрузки каждой фазы в трехфазной системе питания несбалансированы, это приводит к асимметрии тока и напряжения, тем самым вызывая появление гармоник. Например, на некоторых промышленных объектах, из-за различного оборудования, подключенного к каждой фазе, может возникнуть ситуация несбалансированности трехфазной нагрузки, что приводит к появлению гармоник в системе питания.

Гармоники могут вызывать увеличение нагрева и большие потери в электрооборудовании, влияя на нормальное функционирование и срок службы оборудования. Они также могут создавать помехи в системах связи и вызывать резонансы в энергосистеме и другие проблемы. Поэтому необходимо принимать соответствующие меры для их устранения.