Причина и следствие: как уменьшить проблемы с гармониками

Устранение проблем с качеством электроэнергии поможет вашему предприятию сэкономить деньги за счет оптимизации энергопотребления и защиты оборудования от повреждений в будущем.

Стабильность электрической системы можно охарактеризовать как «качество электроэнергии». Первым шагом к оценке состояния электрической системы является сбор данных от оборудования, инфраструктуры и сервисной панели. Это измеряется в трехфазных электрических системах с помощью приборов, которые учитывают несколько переменных.

Плохое качество электроэнергии проявляется следующим образом:

-Провалы и всплески — напряжение ниже или выше ожидаемого.
-Гармоники — частотные эффекты, вызванные либо источником питания, либо оборудованием, работающим в системе.
-Не симметрия — влияние колебаний напряжения или тока на каждую из электрических фаз.
-Мерцание — эффекты, вызванные повторяющимся переключением электрических нагрузок, например, дуговых печей или других процессов.

Причины:
Гармоники — это токи или напряжения с частотами, кратными основной частоте сети, которая  составляет 50 Гц. Если первая основная частота равна 50 Гц, то вторая — 100 Гц, а третья — 150 Гц. Вот несколько примеров проблем, которые могут быть связаны с гармониками:

Мигающие огни — частый симптом проблемы с качеством электроэнергии. Потенциальным источником мерцания  является оборудование с быстрыми колебаниями тока или напряжения нагрузки. Это например, большие двигатели при запуске, оборудование с циклоконвертерами (например, приводы прокатных станов и шахтные подъемные машины), а также машины, в которых используются статические преобразователи частоты, такие как двигатели переменного тока и дуговые печи.
Перегретые трансформаторы и сработавшие выключатели могут быть причиной гармонических проблем, которые возникают, когда нелинейные нагрузки, потребляющие ток резкими импульсами, а не плавно (синусоидальным образом) заставляют гармонические токи течь обратно в другие части энергосистемы.
Состояние гармоник в системе можно выразить разными способами. Первый — это полное гармоническое искажение или THD. THD — это сумма всех гармонических эффектов; обычно это измеряется до 50-го кратного основной частоты энергосистемы (50 Гц), при 2,5 кГц или, согласно некоторым рекомендациям, до 40-го кратного (2,0 кГц). Это значение THD с точки зрения качества электроэнергии чаще всего применяется к напряжению. В руководстве указано, что влияние гармоник напряжения должно быть менее 8% по отношению к основной гармонике. Значения выше указанных 8% требуют дальнейшего изучения.

Первым уровнем исследования будет определение процента каждой отдельной гармоники, 2-я, 3-я, 4-я, 5-я — до 50-й. Это отображается либо в реальном времени на измерительном приборе, либо на диаграмме из зарегистрированных и загруженных данных — это визуализируется как «гармонический спектр».

Примерный спектр гармоник, показанный на рис. 1, представляет собой очень типичный сценарий. THD напряжения находится в среднем диапазоне и составляет около 3,5% на каждой фазе. Обратите внимание на то, что самые большие гармоники находятся на 5-й и 3-й соответственно, и вскоре после 7-й гармоники очень быстро затухают. Эти гармоники генерируются импульсными источниками питания, используемыми в электронном оборудовании, таком как компьютеры, мониторы, телевизоры и светодиодное освещение. В определенной степени это гармоники, которые допускают производители оборудования  внутри своих устройств. Это оборудование содержит электронные фильтры, которые предотвращают генерацию высших гармоник. Предотвращение или смягчение последствий достигается путем добавления простых сетей из пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Включение этого простого средства защиты в продукт позволяет производителю поставлять продукты, соответствующие требуемому стандарту EMC.Этот график отображает процент каждой отдельной гармоники. Это известно как гармонический спектр. Рис.1

Если мы рассмотрим гармоники тока, то увидим совсем другую картину. На рис. 2 виден удивительный уровень искажений — до 40%. Это интересно, но не так уж важно. Во-первых, в этом случае ток будет низким по сравнению с тем, какой ток используется в цепи. Мы описываем эти два значения как IL (ток нагрузки) и ISC (ток короткого замыкания). Когда ISC значительно выше, чем IL, THD для тока не важен. Причина этого в том, что большая разница в этих токах вряд ли повлияет на гармоники напряжения. Эта концепция закреплена в стандарте IEEE 519 (Рекомендуемая практика и требования для контроля гармоник в электроэнергетических системах).

На этом снимке экрана вы видите высокий уровень искажения тока. Но разве это имеет значение? Рис.2

Последствия
В промышленных условиях причиной гармонических искажений чаще всего является электрическое оборудование в процессе эксплуатации. Современные промышленные предприятия содержат множество единиц оборудования, которые могут способствовать общему искажению — несколько очевидных примеров включают преобразователи частоты и электродвигатели, приводимые в действие инверторами. Эти приводы принимают  напряжение и ток переменного тока, преобразуют их в постоянный ток, а затем создают выходной сигнал переменной частоты, чтобы двигатели могли управляться более точно. Когда ток подается в инвертор, он не воспринимается как чистая синусоида  и нерегулярно принимает ток для зарядки компонентов, которые находятся на входе инвертора. Это нерегулярное потребление искажает ток и, следовательно, напряжение. Эти инверторы могут использоваться для привода двигателей, которые являются частью промышленного процесса, такого как перекачка охлаждающей или нагревающей воды, жидких материалов, движущихся конвейеров или охлаждающих вентиляторов. Другие типы электронного управления также являются частью процесса, и каждый из них создает некоторые искажения. Когда все это оборудование подключено к одной сети, искажения в целом возрастают.

Производители оборудования несут ответственность за то, чтобы их оборудование не создавало недопустимые уровни искажений, поэтому стандарты качества электроэнергии призваны предотвратить это. Но в некоторых случаях, когда пользователь создает уникальную комбинацию более высоких, чем ожидалось, искажений в электрической сети, близких к пропускной способности, искажения могут стать серьезными и повлиять на другие части оборудования. Например, старые трансформаторы не всегда проектировались с учетом гармоник. Хотя с момента появления промышленной силовой электроники прошло некоторое время. С самого начала большинство нагрузок на объекте были линейными (где ток и напряжение прямо пропорциональны -простая резистивная нагрузка). Если гармоники высоки, искажения могут вызвать перегрев старых трансформаторов, и с этим связаны две проблемы. Во-первых, выделяемое тепло -пустой расход электроэнергии. Во-вторых, возможно повреждение трансформатора, иногда даже катастрофическое.

Есть два возможных решения.

-Уменьшите гармоники за счет установки фильтров.
-Замените трансформатор на трансформатор с высоким коэффициентом К, который может справиться с искажениями.
Из этих двух решений оба имеют преимущества и финансовые затраты.

Установка фильтров может быть очень эффективной с экономической и технической точки зрения, в зависимости от источника гармонических искажений. Чтобы обнаружить конкретный источник (источники), требуется исследование гармоник оборудования, подключенного к системе. Лучше всего начать с самых больших электронных приводов — подумайте, какое оборудование потребляет наибольший ток, например, большие приводы или мощные системы ИБП, чтобы выяснить, какое из них имеет самый высокий THD. Соберите как можно больше данных о гармониках за несколько дней, чтобы увидеть, как изменяются THD, и определить наихудшие сценарии. Затем эти данные могут быть переданы поставщику фильтров, который может посоветовать подходящие решения для каждой нагрузки. Причиной проблемы может быть только одна или две единицы оборудования. В худшем случае вам понадобится более крупная система, но, опять же, поставщик может посоветовать подходящее решение.

С заменой трансформаторов сложнее. По-прежнему требуются исследования гармоник, чтобы обнаружить К-фактор — эффект нагрева из-за гармоник. Коэффициент K выводится из гармоник с использованием рекомендованного IEEE метода; однако подходящий инструмент рассчитает это за вас. Трансформаторы с коэффициентом К более дорогими, чем стандартные трансформаторы, и простои из-за установки нового трансформатора могут оказаться серьезными и привести к значительным простоям. Однако в некоторых случаях это может быть единственным жизнеспособным решением.

Здесь повторимся, но измерения имеют значение. Знание работоспособности вашей системы важно для обслуживания вашего оборудования, чтобы получить от него максимальную отдачу и поддерживать разумное потребление энергии.

Исследования качества электроэнергии следует рассматривать как плановое техническое обслуживание. Выполняя полурегулярные измерения, вы можете обнаружить любые изменения, которые могут произойти, чтобы вы могли найти потенциальные проблемы и исправить их на раннем этапе. Период между исследованиями зависит от мнения пользователей, но им необходимо учитывать свои ожидания в отношении надежности системы — чем выше ожидания, тем более регулярным является опрос. Это может быть ежемесячно, ежеквартально, раз в полгода или, если вы чувствуете, что действительно контролируете ситуацию, ежегодно.

Регулярное выполнение исследований не будет такой сложной задачей, если если организовать этот процесс правильно.

  • Выбирайте место измерения с умом. Найдите в системе критические точки, в которых оборудование может вызвать проблемы и где оборудование может быть более чувствительным.
  • Устанавливайте каждый раз в одном и том же месте.
  • Прислушивайтесь к подсказкам операторов оборудования об их опыте работы с происходящим на их уровне — у них есть лучшая информация.
  • Наблюдайте за тенденциями и проводите сравнения для простой корреляции.
  • Сохраняйте  исторические данные.
  • Измеряйте и регистрируйте в течение нескольких дней, чтобы увидеть ритм работы оборудования.

Собирая эти данные исследования, вы можете контролировать свою электрическую систему, эффективно управлять ею и поддерживать долговечность вашего электрического оборудования.

К списку статей

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.

ru_RURU