Harmooniliste allikad elektrivõrkudes
Kuna mittelineaarsed elemendid on tänapäevastes elektrivõrkudes, eriti tööstusvõrkudes, alati olemas, mistõttu voolukõverad ja pingekõverad on moonutatud, tekivad võrkudesse kõrgemad harmoonilised.
Esiteks on mittesinusoidsus tingitud staatiliste muundurite olemasolust, seejärel - sünkroongeneraatoritest, keevitusmasinatest, luminofoorlampidest, kaareahjudest, trafodest, mootoritest ja muudest mittelineaarsetest koormustest.
Matemaatiliselt võib voolu- ja pingekõverate mittesinusoidsust esitada võrgusageduse põhiharmoonikute ja selle kordsete kõrgemate harmooniliste summana. Harmoonilise analüüsi tulemusel saadakse trigonomeetriline Fourier' jada ning saadud harmooniliste sageduste ja faaside väärtusi saab hõlpsasti arvutada järgmise valemi abil:
Tegelikult võib kolmefaasilises võrgus tekkiv mittesinusoidsete pingete ja voolude kombinatsioon olla asümmeetriline või sümmeetriline.Mittesinusoidsete pingete sümmeetriline süsteem kolme harmoonilise korduste korral (k = 3n) viib nulljärjestusega pingete süsteemi moodustumiseni.
Veelgi enam, kui k = 3n + 1, tekitab harmooniline kolmefaasilises võrgus sümmeetrilise negatiivse järjestusega pingete süsteemi. Seega annab mittesinusoidsete pingete sümmeetrilise süsteemi iga k-harmooniku tulemuseks sümmeetrilise otse-, pöörd- või nulljärjestuse faasipingete süsteemi.
Praktikas osutub aga faaside mittesinusoidsete pingete süsteem asümmeetriliseks. Niisiis, kolmefaasiliste trafode magnetsüdamikud ise on need mittelineaarsed ja asümmeetrilised, kuna kesk- ja lõppfaasi magnetteede pikkused erinevad 1,9 korda. Selle tulemusena on keskmise faasi magnetiseerimisvoolude efektiivsed väärtused 1,3–1,55 korda väiksemad kui lõppfaasi magnetiseerimisvoolude väärtused.
Asümmeetrilised harmoonilised lagunevad sümmeetrilisteks komponentideks, kui iga k-harmooniline moodustab asümmeetrilise faasipingete süsteemi ja sisaldab tavaliselt kolme järjestuse komponente - null-, päri- ja tagurpidi.
Eraldatud neutraaliga kolmefaasilisi võrke iseloomustab nulljärjestuse komponentide puudumine igas faasis, tingimusel et maandusrikkeid pole. Selle tulemusena ei esine faasivooludes kolme harmoonilise kordi, kuid on teisi harmoonilisi, mis sisaldavad pöörd- ja positiivseid jadakomponente.
Toitealalditel on reeglina alalisvoolu poolel suured induktiivsused, milleks on alalisvoolu masina mähised ja tasandusreaktorid.Need induktiivsused on kordades suuremad kui vahelduvvoolu poole ekvivalentne induktiivsus, seetõttu käituvad sellised alaldid vahelduvvooluvõrgu suhtes kui kõrgema harmoonilise voolu allikad. Harmoonilise sagedusega võrku suunatud voolul on väärtus, mis ei sõltu toitevõrgu parameetritest.
Kolmefaasiliste elektrivõrkude jaoks on selliste muunduritena iseloomulik kasutada kolmefaasilisi täislaine alaldeid 6 ventiili jaoks, millest neid nimetatakse kuueimpulsilisteks või kuuefaasilisteks. Iga faasi voolukõverat saab sel juhul kirjeldada võrrandiga (ühe faasi A voolu jaoks):
On näha, et faasivoolud sisaldavad ainult paarituid harmoonilisi, mis ei ole kolme kordsed, ja nende harmooniliste märgid vahelduvad: 6k + 1 järku positiivsed harmoonilised ja 6k-1 järku negatiivsed harmoonilised.
Kui kasutatakse kaheteistfaasilist alaldit, kui kuuefaasilise alaldi paar on ühendatud kolmefaasiliste trafode paariga (sekundaarpinged on faasinihked pi / 6 võrra), siis harmoonilised 12k + 1 ja 12k- Ilmuvad vastavalt 1-tellimused.
Enne alaldi kasutamist olid elektrivõrkude kõrgemate harmooniliste peamiseks allikaks vaid trafod ja erinevad elektrimasinad. Kuid isegi tänapäeval on trafod elektrivõrkude kõige levinumad elemendid.
Põhjus, miks trafod tekitavad kõrgemaid harmoonilisi, on magnetahelate mittelineaarne magnetiseerimiskõver ja pidev hüstereesi silmused… Mittelineaarne magnetiseerimiskõver ja hüstereesiahel tekitavad moonutusi algses sinusoidaalses koormuseta magnetiseerimisvoolus ja tulemuseks on kõrgemad harmoonilised voolus, mida trafo võrgust võtab.
110 kV klassi trafode tühivool ei ole suurem kui 1% ja 6-10 kV klassi trafodel mitte üle 2-3%. Need on väikesed voolud ja nende aktiivsed kaod magnetahelas on tühised. Tähtis on magnetiseerimiskõver, mitte hüstereesiahel.
Magnetiseerimiskõver on sümmeetriline ja Fourier' seeria laienduses pole isegi harmoonilisi. Magnetiseeriva voolu moonutused on põhjustatud paaritutest harmoonilistest, mille hulgas on kolmekordsed. Kolmas harmooniline on eriti väljendunud, kuid viies ja seitsmes harmooniline on ka kõige olulisemad.
EMF-i harmoonilised ja vooluharmoonikud on iseloomulikud ka mootoritele, nii sünkroonsed kui ka asünkroonsed… Need harmoonilised on põhjustatud samadest nähtustest nagu trafode tekitatud vooluharmoonikud – staatori ja rootori valmistamise materjalide magnetiseerimiskõvera mittelineaarsus.
Elektrimootorite vooluharmoonikute sagedusspekter, nagu ka trafode oma, sisaldab paarituid harmoonilisi, mille hulgas on ilmselgelt kolmekordsed. Kõige olulisemad on siin 3., 5. ja 7. harmoonilised.
Nagu trafode puhul, võimaldavad ligikaudsed arvutused võtta 3., 5. ja 7. harmoonilise voolude protsendimääraks 40% kolmanda harmoonilise, 30% viienda harmoonilise ja 20% seitsmenda harmoonilise puhul (protsent tühikäiguvool).