แหล่งที่มาของเสียงประสานในเครือข่ายไฟฟ้า

เนื่องจากองค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้นมีอยู่อย่างสม่ำเสมอในอุปกรณ์ไฟฟ้าสมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครือข่ายอุตสาหกรรม ส่งผลให้เส้นโค้งของกระแสและเส้นโค้งของแรงดันไฟฟ้าบิดเบี้ยว ฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นจึงปรากฏในเครือข่าย

ประการแรก ความไม่เป็นไซน์เกิดจากการมีตัวแปลงไฟฟ้าสถิตย์ จากนั้น - เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส, เครื่องเชื่อม, หลอดฟลูออเรสเซนต์, เตาอาร์ค, หม้อแปลง, มอเตอร์ และโหลดที่ไม่ใช่เชิงเส้นอื่น ๆ

ในทางคณิตศาสตร์ ค่าที่ไม่ใช่ไซน์ซอยด์ของเส้นโค้งกระแสและแรงดันสามารถแสดงเป็นผลรวมของฮาร์มอนิกหลักของความถี่เมนและฮาร์มอนิกที่สูงกว่าซึ่งเป็นผลคูณของฮาร์มอนิก ผลการวิเคราะห์ฮาร์มอนิกในอนุกรมฟูเรียร์ตรีโกณมิติ และสามารถคำนวณค่าความถี่และเฟสของฮาร์มอนิกที่เกิดขึ้นได้อย่างง่ายดายโดยใช้สูตร:

ในความเป็นจริง การรวมกันของแรงดันและกระแสที่ไม่ใช่ไซน์ในเครือข่ายสามเฟสอาจไม่สมมาตรหรือสมมาตรระบบสมมาตรของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ใช่ไซน์สำหรับทวีคูณของสามฮาร์มอนิก (k = 3n) นำไปสู่การสร้างระบบของแรงดันไฟฟ้าที่มีลำดับศูนย์

นอกจากนี้ ที่ k = 3n + 1 ฮาร์มอนิกในเครือข่ายสามเฟสจะสร้างระบบสมมาตรของแรงดันลำดับเชิงลบ ดังนั้น k-harmonic ทุกตัวของระบบสมมาตรของแรงดัน non-sinusoidal จะส่งผลให้เกิดระบบสมมาตรของแรงดันเฟสในลำดับตรง ย้อนกลับ หรือศูนย์

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ระบบของเฟสแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ใช่ไซน์ไซด์จะไม่สมมาตร ดังนั้น, แกนแม่เหล็กของหม้อแปลงสามเฟส พวกมันไม่เป็นเชิงเส้นและไม่สมมาตร เนื่องจากความยาวของเส้นทางแม่เหล็กสำหรับระยะกลางและระยะสุดท้ายต่างกัน 1.9 เท่า เป็นผลให้ค่าที่มีประสิทธิภาพของกระแสแม่เหล็กของเฟสกลางมีค่าน้อยกว่าค่าของกระแสแม่เหล็กสำหรับเฟสสุดท้าย 1.3 - 1.55 เท่า

ฮาร์มอนิกแบบอสมมาตรถูกแยกย่อยออกเป็นส่วนประกอบแบบสมมาตรเมื่อ k -harmonic แต่ละอันสร้างระบบแรงดันเฟสแบบอสมมาตร และโดยทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบของสามลำดับ ได้แก่ ศูนย์ ไปข้างหน้า และย้อนกลับ

เครือข่ายสามเฟสที่มีความเป็นกลางแบบแยกมีลักษณะเฉพาะโดยไม่มีส่วนประกอบที่มีลำดับเป็นศูนย์ในแต่ละเฟส โดยมีเงื่อนไขว่าไม่มีข้อบกพร่องของสายดิน เป็นผลให้ไม่มีฮาร์โมนิกสามตัวทวีคูณในกระแสเฟส แต่มีฮาร์มอนิกอื่นที่มีส่วนประกอบของลำดับย้อนกลับและบวก

ตามกฎแล้ววงจรเรียงกระแสกำลังที่ด้าน DC จะมีตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ซึ่งเป็นขดลวดของเครื่อง DC และเครื่องปฏิกรณ์ที่ปรับให้เรียบความเหนี่ยวนำเหล่านี้สูงกว่าความเหนี่ยวนำที่เท่ากันของด้านกระแสสลับหลายเท่า ดังนั้นวงจรเรียงกระแสดังกล่าวที่เกี่ยวข้องกับเครือข่ายกระแสสลับจึงทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาของกระแสฮาร์มอนิกที่สูงกว่า กระแสที่ส่งตรงไปยังเครือข่ายด้วยความถี่ฮาร์มอนิกมีค่าที่ไม่ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของเครือข่ายอุปทาน

สำหรับเครือข่ายไฟฟ้าสามเฟสเป็นลักษณะเฉพาะที่จะใช้วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นสามเฟสสำหรับ 6 วาล์วเป็นตัวแปลงดังกล่าวซึ่งเรียกว่าหกพัลส์หรือหกเฟส เส้นโค้งปัจจุบันสำหรับแต่ละเฟสในกรณีนี้สามารถอธิบายได้ด้วยสมการ (สำหรับกระแสของหนึ่งเฟส A):

จะเห็นได้ว่ากระแสเฟสประกอบด้วยฮาร์โมนิกคี่เท่านั้นที่ไม่ใช่การทวีคูณของสาม และสัญญาณของฮาร์มอนิกเหล่านี้สลับกัน: ฮาร์มอนิกเชิงบวกของลำดับ 6k + 1 และฮาร์โมนิกเชิงลบของลำดับ 6k-1

หากใช้วงจรเรียงกระแสสิบสองเฟส เมื่อต่อวงจรเรียงกระแสหกเฟสหนึ่งคู่เข้ากับหม้อแปลงสามเฟสหนึ่งคู่ (แรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิถูกเปลี่ยนเฟสโดย pi / 6) จากนั้นฮาร์มอนิก 12k + 1 และ 12k- 1-คำสั่งจะปรากฏขึ้นตามลำดับ

ก่อนที่จะใช้วงจรเรียงกระแส มีเพียงหม้อแปลงไฟฟ้าและเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ เท่านั้นที่เป็นแหล่งที่มาหลักของฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นในเครือข่ายไฟฟ้า แต่ทุกวันนี้ หม้อแปลงไฟฟ้ายังเป็นองค์ประกอบที่พบได้บ่อยที่สุดของเครือข่ายไฟฟ้า

เหตุผลที่หม้อแปลงสร้างฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นคือเส้นโค้งการดึงดูดแม่เหล็กที่ไม่ใช่เชิงเส้นของวงจรแม่เหล็กและการมีอยู่อย่างต่อเนื่องของ ฮิสเทรีซิสลูป… เส้นโค้งแม่เหล็กที่ไม่เป็นเชิงเส้นและลูปฮิสเทอรีซิสทำให้เกิดการบิดเบือนของกระแสแม่เหล็กที่ไม่มีโหลดไซน์เดิม และผลที่ได้คือฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นในกระแสที่หม้อแปลงดึงมาจากกริด

หม้อแปลงของคลาส 110 kV มีกระแสไฟฟ้าที่ไม่มีโหลดไม่เกิน 1% และหม้อแปลงของคลาส 6-10 kV - ไม่เกิน 2-3% สิ่งเหล่านี้เป็นกระแสขนาดเล็กและการสูญเสียที่ใช้งานอยู่ในวงจรแม่เหล็กนั้นเล็กน้อย เส้นโค้งการสะกดจิตมีความสำคัญไม่ใช่ลูปฮิสเทรีซิส

เส้นโค้งการสะกดจิตเป็นแบบสมมาตรและไม่มีฮาร์โมนิกในการขยายอนุกรมฟูริเยร์ การบิดเบือนของกระแสแม่เหล็กนั้นเกิดจากฮาร์โมนิกส์แบบคี่ ซึ่งในจำนวนนี้มีการทวีคูณของสาม ฮาร์มอนิกที่สามนั้นเด่นชัดเป็นพิเศษ แต่ฮาร์มอนิกที่ห้าและเจ็ดก็มีความสำคัญที่สุดเช่นกัน

ฮาร์มอนิก EMF และฮาร์มอนิกปัจจุบันเป็นลักษณะเฉพาะของมอเตอร์ ทั้งซิงโครนัสและอะซิงโครนัส… ฮาร์มอนิกเหล่านี้เกิดจากปรากฏการณ์เดียวกับฮาร์มอนิกในปัจจุบันที่สร้างโดยหม้อแปลง—ความไม่เชิงเส้นของเส้นโค้งการดึงดูดแม่เหล็กของวัสดุที่ใช้สร้างสเตเตอร์และโรเตอร์

สเปกตรัมความถี่ของฮาร์มอนิกปัจจุบันของมอเตอร์ไฟฟ้า เช่นเดียวกับของหม้อแปลง รวมถึงฮาร์มอนิกแบบคี่ ซึ่งในจำนวนนี้เป็นผลคูณของสามอย่างเห็นได้ชัด ที่สำคัญที่สุดที่นี่คือเสียงประสานที่ 3, 5 และ 7

ในกรณีของหม้อแปลง การคำนวณอย่างคร่าว ๆ ทำให้เราสามารถหาเปอร์เซ็นต์ของกระแสของฮาร์มอนิกที่ 3, 5 และ 7 ที่ 40% สำหรับฮาร์มอนิกที่สาม 30% สำหรับฮาร์มอนิกที่ 5 และ 20% สำหรับฮาร์มอนิกที่ 7 (เปอร์เซ็นต์ของ กระแสไฟเดินเบา)