5 типов оборудования, которые генерируют наибольшее количество гармоник

1. Импульсные источники питания (SMP S)

Большинство современных электронных устройств используют импульсные источники питания (SMPS).

Они отличаются от более старых устройств тем, что традиционный понижающий трансформатор и выпрямитель заменяется прямым управляемым выпрямителем источника питания для зарядки накопительного конденсатора, из которого требуемый постоянный ток получается методом, соответствующим выходному напряжению и требуемому току.

импульсный источник питания

Преимущество для производителя оборудования заключается в том, что его размеры, стоимость и вес значительно уменьшены, а силовой агрегат может быть выполнен практически в любом необходимом форм-факторе.

Недостатком — для всех остальных — является то, что вместо того, чтобы получать непрерывный ток от источника питания, блок питания потребляет импульсы тока, которые содержат большое количество третьей и более высоких гармоник и значительных высокочастотных составляющих.

На входе питания установлен простой фильтр для обхода высокочастотных компонентов от линии и нейтрали до земли, но он не влияет на гармонические токи, которые возвращаются к источнику питания.
Для блоков высокой мощности в последнее время наблюдается тенденция к так называемым входам с поправкой на коэффициент мощности. Цель состоит в том, чтобы нагрузка источника питания выглядела как резистивная нагрузка, чтобы входной ток казался синусоидальным и синфазным с приложенным напряжением. Это достигается путем подачи входного тока в виде высокочастотного треугольного сигнала, который усредняется входным фильтром в синусоиду.

Этот дополнительный уровень сложности пока не подходит для недорогих устройств, которые составляют большую часть нагрузки в коммерческих и промышленных установках.

2. Электронные балласты для люминесцентных ламп

Электронный балласт для люминесцентных ламп

Электронные осветительные балласты стали популярными в последние годы ,когда их эффективность возросла. В целом, они лишь немного более эффективны, чем лучшие магнитные балласты, и на самом деле большая часть усиления объясняется тем, что лампа более эффективна при работе на высокой частоте, чем сам электронный балласт.Их недостаток — и важный в больших установках — заключается в том, что инвертор генерирует как гармоники в токе питания, так и электрические помехи. Становятся доступными варианты  с поправкой на коэффициент мощности, которые уменьшают проблемы с гармониками, но стоят они значительно дороже.

Магнитные балласты также генерируют гармоники, но уровни, как правило, ниже, чем у электронных блоков. Они часто включают в себя конденсатор коррекции коэффициента мощности, который действует как шунт с низким импедансом для гармонических токов. Следовательно, уровень искажения, которое распространяется в систему распределения, ниже и возникает меньше проблем.

3.  Приводы двигателей постоянного тока

Регуляторы переменной скорости для двигателей постоянного тока обычно основаны на трехфазном мосту, который также используется в линиях передачи постоянного тока и источниках бесперебойного питания. Он также известен как мост с шестью импульсами, поскольку на выходе постоянного тока имеется шесть импульсов на цикл (один на половину цикла на фазу).шестиимпульсный мост

                                                                                                                   (Трехфазный или шестиимпульсный мост)

Ток описывается суравнением:     

Поэтому мост будет производить гармоники порядка: n = 6k ± 1, где к-целое число. Величина каждой гармонической силы тока будет: In = I1 / n, где I1 — компонент 50 Гц.

Эти уравнения действительны только тогда, когда полное сопротивление источника низкое, а напряжение питания является чистой синусоидой. Теоретически контроллер вырабатывает 30% общих гармонических токов, распределенных следующим образом:

 Harmonic number                                                             5           7        11       13      17      19      23      25
 Magnitude (%)  20.0   14.3    9.1     7.7    5.9     5.3     4.3    4.0

Таблица 1 — значения гармонического искажения тока.

На практике двигатели постоянного тока имеют конечную индуктивность, поэтому на постоянном токе возникает пульсация 300 Гц (т.е. в шесть раз больше частоты питания). Это изменяет профиль гармоник тока питания, и токи пятой гармоники до 50% случаев встречаются в некоторых двигателях.

Существует тенденция к использованию двигателей с более низкой индуктивностью для снижения затрат, но это может оказаться ложной экономией; с более высокими уровнями гармоник работать сложнее, и фильтры гармоник могут оказаться неэффективными.

   Величина гармоник 5, 6 значительно уменьшается за счет использования двенадцатимпульсного моста. Это фактически два шестиимпульсных моста, питаемых от звезды и треугольника обмоток трансформатора, обеспечивающих сдвиг фазы на 30 градусов между ними. Пятая и седьмая гармоники теоретически удалены, но на практике они уменьшаются только в 20-50 раз.Высшие гармоники остаются неизменными, снижая общий гармонический ток примерно до 12%, снова принимая нулевое полное сопротивление источника. Уменьшается не только общий гармонический ток, но и те, которые остаются, имеют более высокий порядок, что значительно упрощает конструкцию фильтра. Дальнейшее увеличение количества импульсов до 24, достигнутое за счет использования двух параллельных двенадцатипульсных блоков с фазовым сдвигом 15 градусов, уменьшает общий гармонический ток примерно до 4,5%. Конечно, дополнительная сложность увеличивает стоимость, поэтому этот тип контроллера будет использоваться только тогда, когда это необходимо для соблюдения ограничений поставщиков электроэнергии.

Приведенные выше значения для искажения гармонического тока предполагают, что полное сопротивление источника равно нулю. Если бы это было так, уровень гармоник не имел бы значения, потому что искажения напряжения не возникали бы и другие потребители не пострадали бы. В действительности полное сопротивление источника является конечным (см. Таблицу 1), и в этих условиях искажение тока значительно уменьшается.

Конечно, поскольку искаженный ток протекает через полное сопротивление источника, возникает искажение напряжения.

Контроллеры регулирования скорости для двигателей переменного тока используют аналогичные преобразователи для выработки постоянного тока, а затем инвертор для выработки переменного тока на необходимой частоте для привода. Наряду с гармониками, которые ожидаются для преобразователя, создаются другие составляющие тока, которые связаны с рабочей скоростью привода.

Эти компоненты упоминаются, до некоторой степени запутанно, как межгармонические или нецелочисленные гармоники, но они больше похожи на боковые полосы, встречающиеся в любом процессе модуляции.
Профиль гармонического тока зависит от точной конструкции преобразователя и инвертора. Из-за большого размера накопителей этого типа локальная фильтрация обычно обеспечивается, но конструкция фильтров для этих систем часто очень сложна.

4. Источники бесперебойного питания (ИБП)

источник бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания доступны во многих различных формах в зависимости от того, как достигается преобразование мощности и как происходит переключение с внешнего источника питания на внутренний. Большинство блоков до нескольких МВА используют твердотельные инверторы (называемые статическими) для генерации выходной мощности, очень большие блоки используют двигатели-генераторы (вращающиеся).

Типичные конфигурации включают в себя:

Линейные ИБП .
Такой ИБП преобразует питание от сети переменного тока в постоянное, чтобы поддерживать заряд батареи, и инвертирует питание от батареи постоянного тока для выработки переменного тока. Нагрузка непрерывно питается от постоянного заряда батареи, независимо от условий питания.

Поскольку весь источник питания преобразуется дважды, этот тип ИБП относительно неэффективен и используется только для небольших блоков.

Автономный ИБП.
Автономный ИБП питает нагрузку от электросети, когда она доступна. Инвертор / преобразователь обычно неактивен до тех пор, пока не произойдет сбой, когда батарея подает питание на инвертор, который преобразует мощность постоянного тока обратно в мощность переменного тока для нагрузки.

Недостатком является то, что время, необходимое для перехода от сети переменного тока к батарее, может представлять проблему для некоторых чувствительных устройств, таких как компьютеры и серверы.

Комбинированный ИБП.
Линейно-автономный ИБП сочетает в себе характеристики обоих выше упомянутых. Инвертор в этой конструкции выполняет двойную функцию. При нормальной работе он держит аккумулятор полностью заряженным. При обнаружении сбоя источника питания инвертор отключается от источника питания, а питание от батареи подается через инвертор на нагрузку.

Подобно автономному ИБП, автономная технология эффективна, поскольку питание обычно подается напрямую от линии. Нагрев и напряжения сведены к минимуму, поскольку линейно-интерактивный ИБП выдает только дополнительную мощность, компенсируя падение напряжения в сети через выходной трансформатор. Как и линейный ИБП, он также обеспечивает непрерывное питание.

Тем не менее, комбинированный ИБП не обеспечивает полную изоляцию между линией и нагрузкой, предлагаемой линейным ИБП.
Входной преобразователь ИБП очень похож на преобразователь частоты, описанный выше, и приводит к аналогичным гармоническим искажениям.

Во время нормальной работы автономные и линейные  конструкции потребляют относительно низкий входной ток только для поддержания заряда батареи, но при проектировании установки необходимо учитывать влияние тока полной нагрузки, который будет течь при восстановлении после отключения.

Нагрузка на выходе ИБП неизменно состоит из ИТ-оборудования и, следовательно, нелинейна и богата гармониками низкого порядка. Выходной трансформатор ИБП должен иметь соответствующую номинальную мощность, чтобы справиться с избыточным нагревом, который может возникнуть.

В трехфазных системах «тройные N» гармоники (то есть гармоники, которые нечетны и кратны трем) добавляют нейтраль. Все нейтральные проводники внутри ИБП и в остальной части распределительной цепи должны быть рассчитаны на эти повышенные токи, которые могут приближаться к удвоенному фазному току.

Желательно наличие фильтра третьей гармоники на выходе ИБП, но часто требуются очень большие и дорогие компоненты.
При использовании ИБП необходимо следить за тем, чтобы истинная природа нагрузки была понята и должным образом доведена до поставщика.

5. Устройства с магнитным сердечником

Соотношение между током намагничивания и результирующей плотностью потока в индукторе с магнитным сердечником по своей природе нелинейно. Если текущая форма волны ограничена синусоидальным, то есть последовательное сопротивление в цепи высокое, то магнитное поле будет содержать гармоники.

Это называется принудительным намагничиванием. Если напряжение на катушке синусоидальное, то есть последовательное сопротивление низкое, плотность потока также будет синусоидальной, но ток будет содержать гармоники — это свободное намагничивание.
Трансформаторы обычно вносят небольшое искажение напряжения, около 1,5%, в выходной сигнал.

Флуоресцентные светильники, использующие дроссели, генерируют некоторые гармоники из-за нелинейного поведения самой лампы (она имеет отрицательное динамическое сопротивление) и нелинейного поведения сердечника. Уровни, как правило, ниже, чем у электронных балластов.

Основным средством борьбы с вышеуказанными  проблемами является разделительный трансформатор