เหตุผลสำหรับการปรากฏตัวของฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นในระบบไฟฟ้าสมัยใหม่

อุปกรณ์ไฟฟ้าของโลกยุคใหม่มีความซับซ้อนมากขึ้นโดยเฉพาะเทคโนโลยีไอที เนื่องจากแนวโน้มนี้ ระบบการประกันคุณภาพไฟฟ้าจึงต้องเป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้: พวกเขาเพียงแค่ต้องจัดการกับความผันผวน ไฟกระชาก แรงดันไฟฟ้าตก สัญญาณรบกวน เสียงอิมพัลส์ ฯลฯ ได้อย่างง่ายดาย เพื่อให้เครือข่ายอุตสาหกรรมและผู้ใช้ที่เกี่ยวข้องสามารถทำงานได้ตามปกติ

การปรับรูปร่างแรงดันกริดเนื่องจากฮาร์มอนิกที่เกิดจากโหลดที่ไม่ใช่เชิงเส้นเป็นหนึ่งในปัญหาหลักที่ต้องแก้ไข ในบทความนี้เราจะพิจารณาถึงแง่มุมเชิงลึกของปัญหานี้

อะไรคือสาระสำคัญของปัญหา

ส่วนแบ่งหลักของอุปกรณ์สำนักงานปัจจุบัน คอมพิวเตอร์ สำนักงาน อุปกรณ์มัลติมีเดียโดยทั่วไปเป็นโหลดแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งเชื่อมต่อกับเครือข่ายไฟฟ้าทั่วไปในปริมาณมาก บิดเบือนรูปร่างของแรงดันไฟฟ้าเครือข่าย

แรงดันไฟฟ้าที่บิดเบี้ยวนี้ถูกรับรู้อย่างเจ็บปวดจากอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ และบางครั้งก็รบกวนการทำงานตามปกติอย่างมาก: ทำให้เกิดการทำงานผิดปกติ, ความร้อนสูงเกินไป, หยุดการซิงโครไนซ์, สร้างสัญญาณรบกวนในเครือข่ายการรับส่งข้อมูล โดยทั่วไปแล้ว แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ไม่ใช่ไซน์สามารถทำให้เกิดอุปกรณ์ได้หลากหลาย กระบวนการและความไม่สะดวกต่อผู้คนรวมถึงวัสดุ

ความผิดเพี้ยนของแรงดันไฟฟ้าเช่นนี้อธิบายได้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์คู่หนึ่ง: ปัจจัยไซน์ ซึ่งสะท้อนถึงอัตราส่วนของค่า rms ของฮาร์มอนิกที่สูงกว่าต่อค่า rms ของฮาร์มอนิกพื้นฐานของแรงดันไฟฟ้าเครือข่าย และปัจจัยยอดโหลด เท่ากับ อัตราส่วนของการใช้กระแสสูงสุดต่อกระแสโหลดที่มีประสิทธิภาพ

ทำไมฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นถึงเป็นอันตราย?

ผลกระทบที่เกิดจากการรวมตัวของฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นสามารถแบ่งตามระยะเวลาของการสัมผัสออกเป็นแบบทันทีและระยะยาว เป็นเรื่องปกติที่จะกล่าวถึงทันที: ความผิดเพี้ยนของรูปร่างของแรงดันไฟฟ้าจ่าย, แรงดันไฟฟ้าตกของเครือข่ายการกระจาย, เอฟเฟกต์ฮาร์มอนิกรวมถึงเสียงสะท้อนความถี่ฮาร์มอนิก, การรบกวนที่เป็นอันตรายในเครือข่ายการส่งข้อมูล, เสียงรบกวนในช่วงอะคูสติก, การสั่นสะเทือนของเครื่องจักร ปัญหาระยะยาว ได้แก่ การสูญเสียความร้อนมากเกินไปในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลง ความร้อนสูงเกินไปของตัวเก็บประจุและเครือข่ายการกระจาย (สายไฟ)

รูปร่างของฮาร์มอนิกส์และแรงดันไฟฟ้าของเส้น

กระแสสูงสุดที่มีนัยสำคัญในครึ่งหนึ่งของคลื่นไซน์ของเครือข่ายทำให้ปัจจัยยอดเพิ่มขึ้นยิ่งกระแสพีคสูงและสั้นลง ความผิดเพี้ยนก็จะยิ่งแรงขึ้น ในขณะที่ปัจจัยหวีจะขึ้นอยู่กับความสามารถของแหล่งพลังงาน ความต้านทานภายใน - ไม่ว่าจะสามารถส่งกระแสพีคดังกล่าวได้หรือไม่ บางแหล่งต้องได้รับการประเมินเกินจริงเมื่อเทียบกับกำลังที่กำหนด ตัวอย่างเช่น ต้องใช้ขดลวดพิเศษในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

แต่เครื่องสำรองไฟ (UPS) รับมือกับปัญหานี้ได้ดีกว่ามาก: เนื่องจากการแปลงสองครั้งจึงสามารถควบคุมกระแสโหลดได้ตลอดเวลาและควบคุมโดยใช้ PWM ซึ่งจะหลีกเลี่ยงปัญหาเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ของกระแสสูง . กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปัจจัยยอดสูงไม่ใช่ปัญหาสำหรับ UPS ที่มีคุณภาพ

ฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นและแรงดันตกคร่อม

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น UPS จัดการกับค่าเครสต์แฟกเตอร์สูงได้ดี และความผิดเพี้ยนของรูปคลื่นไม่เกิน 6% ตามกฎแล้วการต่อสายที่นี่ไม่สำคัญมันค่อนข้างสั้น แต่เนื่องจากฮาร์มอนิกที่มีอยู่มากมายในแรงดันไฟตรง รูปคลื่นปัจจุบันจะเบี่ยงเบนไปจากไซน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับฮาร์มอนิกความถี่สูงแบบแปลกๆ ที่นำมาใช้โดยวงจรเรียงกระแสแบบเฟสเดียวและสามเฟส (ดูรูป)

ความต้านทานที่ซับซ้อนของเครือข่ายการกระจายมักจะเป็น ธรรมชาติอุปนัยดังนั้นฮาร์มอนิกส์ในปัจจุบันในปริมาณมากจะนำไปสู่การลดลงของแรงดันไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญบนสายยาว 100 เมตรและการลดลงเหล่านี้อาจเกินกว่าที่อนุญาตได้ซึ่งเป็นผลมาจากรูปร่างของแรงดันไฟฟ้าบนโหลดจะบิดเบี้ยว

ตัวอย่างเช่น สังเกตว่ากระแสเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสไดโอดแบบเฟสเดียวเปลี่ยนแปลงอย่างไรที่อิมพีแดนซ์เครือข่ายต่างๆ ขึ้นอยู่กับความต้านทานของตัวกรองอินพุตของอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีอินพุตแบบไม่ใช้หม้อแปลง และการเปลี่ยนแปลงนี้ส่งผลต่อรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าอย่างไร

โจทย์ฮาร์มอนิกส์ทวีคูณของสาม

สาม เก้า สิบห้า ฯลฯ — ฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นของกระแสไฟหลักนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าสัมประสิทธิ์แอมพลิจูดสูง ฮาร์มอนิกเหล่านี้เกิดขึ้นจากโหลดเฟสเดียวและผลกระทบต่อระบบสามเฟสค่อนข้างเฉพาะเจาะจง ถ้า ระบบสามเฟสเป็นแบบสมมาตร, กระแสจะเคลื่อนออกจากกัน 120 องศา และกระแสรวมในสายกลางเป็นศูนย์ — ไม่มีแรงดันตกคร่อมสาย

สิ่งนี้เป็นจริงในทางทฤษฎีสำหรับฮาร์มอนิกส่วนใหญ่ แต่ฮาร์มอนิกบางตัวมีลักษณะเฉพาะโดยการหมุนของเวกเตอร์ปัจจุบันในทิศทางเดียวกับเวกเตอร์ปัจจุบันของฮาร์มอนิกมูลฐาน ด้วยเหตุนี้ ฮาร์มอนิกคี่ที่เป็นทวีคูณของฮาร์โมนิกที่สามจะถูกซ้อนทับกันในเสียงกลาง และเนื่องจากฮาร์มอนิกเหล่านี้เป็นเสียงส่วนใหญ่ กระแสที่เป็นกลางทั้งหมดจึงอาจเกินกระแสเฟสได้ กล่าวคือ กระแสเฟส 20 แอมแปร์จะให้กระแสเป็นกลางที่มีความถี่ 150 Hz ที่ 30 แอมแปร์

สายเคเบิลที่ออกแบบโดยไม่คำนึงถึงอิทธิพลของฮาร์มอนิกสามารถทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปได้ เพราะตามแนวคิดแล้ว หน้าตัดควรเพิ่มขึ้น ผลคูณฮาร์มอนิกที่สามถูกหักล้างในวงจรสามเฟส 360 องศาโดยสัมพันธ์กัน

เสียงสะท้อน การรบกวน เสียง การสั่นสะเทือน ความร้อน

มีเครือข่ายการจัดจำหน่าย อันตรายจากเสียงสะท้อน ที่ฮาร์มอนิกกระแสหรือแรงดันที่สูงขึ้น ในกรณีเหล่านี้ส่วนประกอบฮาร์มอนิกจะออกมาสูงกว่าความถี่พื้นฐาน ซึ่งส่งผลเสียต่อส่วนประกอบและอุปกรณ์ของระบบ

เครือข่ายการรับส่งข้อมูลตั้งอยู่ใกล้สายไฟซึ่งกระแสที่มีการไหลของฮาร์มอนิกสูงกว่าอาจถูกรบกวน สัญญาณข้อมูลในนั้นจะลดลง ในขณะที่ระยะทางจากสายไปยังเครือข่ายสั้นลง ความยาวของการเชื่อมต่อก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ความถี่ฮาร์มอนิก — ยิ่งสัญญาณข้อมูลผิดเพี้ยนมากเท่าไร

หม้อแปลงและโช้กเริ่มส่งเสียงดังมากขึ้นเนื่องจากฮาร์มอนิกที่สูงขึ้น มอเตอร์ไฟฟ้าจะมีการเต้นเป็นจังหวะในฟลักซ์แม่เหล็ก ส่งผลให้เกิดการสั่นของแรงบิดบนเพลา เครื่องใช้ไฟฟ้าและหม้อแปลงเกิดความร้อนสูงเกินไปและเกิดการสูญเสียความร้อน ในตัวเก็บประจุ มุมการสูญเสียอิเล็กทริกจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่สูงกว่ากริด และพวกมันจะเริ่มร้อนมากเกินไป อาจเกิดการแยกตัวของไดอิเล็กตริกได้ ไม่จำเป็นต้องพูดถึงการสูญเสียในสายเนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ...