Skip to content

Riešenia nepretržitého napájania

Vyššie harmonické

Lineárna a nelineárna záťaž

Záťaž je lineárna, keď je medzi napätím a prúdom lineárny vzťah (lineárna diferenciálna rovnica s konštantnými koeficientmi). Inými slovami, lineárna záťaž odoberá sínusový prúd, ak je napájaná sínusovým napätím: tento prúd môže byť posunutý voči napätiu o uhol j . Pokiaľ nie je vzťah medzi napätím a prúdom lineárny, hovoríme o nelineárnej záťaži. Nelineárna záťaž odoberá nesínusový prúd a teda harmonické prúdy aj v prípade, keď je napájaná čisto sínusovým prúdom. (viď obr.1 )

Obr. 1: prúd odoberaný nelineárnou záťažou

Obr. 1: prúd odoberaný nelineárnou záťažou

Harmonické skreslenie napätia a prúdu

Nelineárna záťaž generuje v jej napájacích obvodoch harmonické úbytky napätia. Záťaž s odoberaným neharmonickým prúdom má na svojich svorkách vždy neharmonické napájacie napätie, ktoré je charakterizované koeficientom harmonického skreslenia:
koeficient harmonického skreslenia
kde Zn je impedancia zdroja harmonickej n a In je efektívna hodnota prúdu vyššej harmonickej n.

Čím je väčšia nelinearita záťaže, tým je vyššie skreslenie napájacieho napätia a teda vyšší obsah harmonických prúdov. Koeficient harmonického skreslenia prúdu je:

Koeficient harmonického skreslenia prúdu

Pre ilustráciu charakteristík hlavných typov napájacích zdrojov uvádzame závislosti ich impedancií od frekvencie.

závislosti impedancií hlavných typov napájacích zdrojov od frekvencie

Obr. 2.: Závislosť výstupnej impedancie rôznych zdrojov od frekvencie

Efektívna hodnota nesínusového periodického priebehu

Použitím všeobecného vzťahu:

Efektívna hodnota periodického priebehu

získavame vzťah s vyššími harmonickými:

Efektívna hodnota nesínusového periodického priebehu

Koeficienty harmonického skreslenia

Definícia podľa IEC

Tento parameter, zvaný tiež harmonické skreslenie alebo faktor (činiteľ) skreslenia reprezentuje pomer efektívnych hodnôt vyšších harmonických (n >= 2) k efektívnej hodnote periodického priebehu:

pomer efektívnych hodnôt vyšších harmonických (n >= 2) k efektívnej hodnote periodického priebehu

Parameter predstavuje pomer efektívnych hodnôt vyšších harmonických k efektívnej hodnote

základnej harmonickej:

pomer efektívnych hodnôt vyšších harmonických k efektívnej hodnote základnej harmonickej

Poznámka: Ak je hodnota koeficientu harmonického skreslenia nízka (prevažne pri napätí), pomocou obidvoch definícií získame rovnaký výsledok.

Napríklad ak:

Potom získame pomocou definície IEC:

a pomocou definície CIGREE:

Faktor výkonu a cos fi1

Podľa IEC je faktor výkonu (celkový účinník) daný pomerom reálneho výkonu P k zdanlivému S:

faktor výkonu (celkový účinník)

Faktor výkonu (celkový účinník) nesmie byť zamieňaný s účinníkom (cos fi1), ktorý predstavuje kosínus uhlov fázových posuvov základných harmonických napätia a prúdu:

faktor výkonu základnej harmonickej

kde

P1 = reálny výkon prenášaný základnou harmonickou P1=U1*I1*cos fi1

S1 = zdanlivý výkon prenášaný základnou harmonickou S1=U1*I1

Činiteľ skreslenia n

Podľa špecifikácii v IEC 146-1-1, činiteľ skreslenia umožňuje definovať vzťah medzi celkovým účinníkom l a účinníkom základnej harmonickej cos fi1:

Činiteľ skreslenia

Kde sú napätia a prúdy čisto sínusové, koeficient skreslenia l = 1 a cos fi1 = cos fi a je rovný faktoru výkonu (celkovému účinníku).

Crest faktor (faktor výkyvu)

Definovaný podľa IEC ako pomer vrcholovej hodnoty periodického priebehu k efektívnej hodnote.

Spätný vplyv vyšších harmonických

Vplyv na prístroje a systémy malých výkonov

Harmonické skreslenie môže spôsobovať:

  • nesprávnu funkčnosť niektorých spotrebičov využívajúcich napájacie napätie ako referenčné na generovanie riadiacich impulzov polovodičov, alebo ako časovú základňu na synchronizáciu niektorých systémov.
  • rušenie spôsobené elektromagnetickým poľom. V prípadoch križovania alebo priblíženia sa trás vedení prenosu dát s výkonovými vedeniami, ktorými pretekajú neharmonické prúdy sa môžu indukovať prúdy a uzatvárať v dátových vedeniach od výkonových vedení, ktoré môžu spôsobovať poruchy zariadení, ku ktorým sú pripojené.
  • uzatváranie sa prúdov vyšších harmonických cez pracovný vodič N (neutrál, nulový alebo nulový pracovný vodič) spôsobuje úbytok napätia v týchto vodičoch. V prípade sústavy TN-C nie sú zariadenia na rovnakom potenciály (ochranný vodič PEN), čo môže v nemalej miere rušiť prenos informácií medzi „inteligentnými“ zariadeniami. Navyše sa prúd uzatvára cez kovové konštrukcie budovy a vytvára rušiace elektromagnetické polia.

Vplyv na kondenzátory

Impedancia kondenzátorov sa znižuje so zvyšujúcou sa frekvenciou. Ak je napätie skreslené, tečie kompenzačnými kondenzátormi relatívne vysoký prúd vyšších harmonických, ktorý zvyšuje straty v kondenzátoroch a spôsobuje ich prehrievanie.

Ďalej prítomnosť indukčností (reaktorov) na iných miestach inštalácie zvyšuje riziko rezonancie s kondenzátormi, ktorá môže spôsobiť amplitúdu vyšších harmonických v kondenzátoroch. V praxi by nikdy nemali byť kondenzátory pripojené v sieťach s koeficientom harmonického skreslenia napätia vyšším ako 8 %.

Vplyv na transformátory

Vyššie harmonické spôsobujú dodatočné straty v transformátoroch:

  • Joulove straty vo vedeniach, vznik skin efektu,
  • straty spôsobené hysteréznymi a vírivými prúdmi v magnetických obvodoch. So vzatím týchto strát do úvahy je štandardizovaný vzorec na výpočet činiteľa odľahčenia k pre transformátor.
vzorec na výpočet činiteľa odľahčenia k pre transformátor
vzorec na výpočet činiteľa odľahčenia k pre transformátor

kde

činiteľ odľahčenia
činiteľ odľahčenia

Napríklad pre H5=25 %; H7=14 %; H11=9 %; H13= 8 %, je činiteľ odľahčenia 0,91.

Vplyv na striedavé generátory

Rovnako ako pre transformátory, tak aj v striedavých generátoroch spôsobujú vyššie harmonické prídavné straty vo vinutiach a v magnetických obvodoch. Ďalej harmonické vytvárajú impulzné momenty, ktoré generujú vibrácie a dodatočné ohrievanie tlmiacich vinutí.

Napokon skratová rázová reaktancia generátora (v porovnaním s percentuálnym napätím transformátora nakrátko – ek, Ucc) je relatívne vysoká a koeficient harmonického skreslenia napätia sa rýchlo zvyšuje so zvyšujúcim sa obsahom vyšších harmonických odoberaného prúdu.

Vplyv na výkonové vedenia a na neutrálny vodič

Vyššie harmonické spôsobujú dodatočné straty vo vodičoch spôsobené hlavne skin efektom.

Straty sú taktiež významnejšie v prípadoch, keď jednofázové záťaže odoberajú prúdy tretích harmonických a ich násobkov (napríklad výpočtová technika). Tieto prúdy tečú fázovým a navyše aj stredným vodičom N (v sústavách TN-S). Pri obsahu tretej harmonickej H3=75% v odoberanom prúde tečie cez stredný vodič 2,25 násobok prúdu základnej harmonickej fázového vodiča s frekvenciou 150 Hz.

Prúd v každej fáze je len    násobkom základnej harmonickej. V prípadoch prítomnosti nelineárnych záťaží musí byť obzvlášť kladený dôraz na dimenzovanie stredného vodiča. Použitie napäťovej sústavy TN-C je v týchto prípadoch vylúčené.

Pozn.: Ak je celkový prúd vo fáze (z dôvodu H3 = 75% x H1) 1,25 násobkom základnej harmonickej, potom celkový zdanlivý výkon dodávaný zdrojom do takejto záťaže je zvýšený čím vzrastá energetická náročnosť objektu o 25 %. Ideálnym riešením na zníženie spotreby je kompenzácia vyšších harmonických (návratnosť cca 2 roky v spotrebe energie, nehovoriac o zvýšení životnosti zariadení pripojených do elektroinštalácie a vedenia.).

Zdroje a vplyvy vyšších harmonických

Polovodičové meniče ako zdroj vyšších harmonických

Najväčší podiel na harmonické zložky napájacej siete majú statické (polovodičové) meniče. Môže ich byť malý počet ale s vysokým výkonom alebo obrovské množstvo s nízkymi výkonmi. Ako príklady uvádzame:

  • fluorescenčné svietidlá, stmievače
  • počítače
  • elektrické domáce spotrebiče
    (televízne prístroje, mikrovlnky, indukčné platne)

Na zvyšujúci sa obsah vyšších harmonických v elektrickej sieti má hlavný vplyv súčasný rozmach nízko-výkonových zariadení. Na obrázku 3 je znázornený napájací prúd niektorých záťaží a na obr. 4, ich harmonické spektrum (typické hodnoty).

Upraviť
MeničSchéma zapojeniaPrúdova vlna
1.Stmievač, regulátor kúreniaschéma zapojenia pre stmievačgraf prúdovej vlny pre stmievač
2.Usmerňovač spínaného zdroja napríklad:
Počítače, domáce elektrické spotrebiče
schéma zapojenia pre usmerňovačgraf prúd odoberaný nelineárnou záťažou
3.Trojfázový usmerňovač s LC filtrom v jednosmernom medzi-obvode napríklad:
Menič pre reguláciu rýchlosti jednosmerného motora
schéma zapojenia pre trojfázový usmerňovačgraf prúdovej vlny pre trojfázový usmerňovač
4.Trojfázový usmerňovač s vyhladzovacou tlmivkou v jednosmernom medziobvode napríklad:
Trojfázový usmerňovač s vyhladzovacou tlmivkou v jednosmernom medziobvode
schéma zapojenia pre trojfázový usmerňovač s vyhladzujúcou tlmivkougraf prúdovej vlny pre trojfázový usmerňovač s vyhladzujúcou tlmivkou
5.Trojfázový usmerňovač so sériovými vyhladzovacími reaktormi, napríklad:
Trojfázové transformátorové UPS vybavené 6 alebo 12 impulzným usmerňovačom
schéma zapojenia pre trojfázový usmerňovač so sériovými vyhladzovacími reaktormigraf prúdovej vlny pre usmerňovač so sériovými vyhladzovacími reaktormi

Tabuľka: Príklad spektra vyšších harmonických odoberaných prúdov odoberaných záťažami, uvedenými na obrázkoch vyššie

Obr.č.H3H5H7H11H13H15H17H19H21
1.54181811118866
2.754515763332
3.08075040350105
4.0257094053
5.0333072032

Prednášky na prevzatie

X
Porovnať produkt