Sumber harmonik dalam jaringan listrik

Karena elemen non-linier selalu ada dalam kelistrikan modern, terutama di jaringan industri, akibatnya, kurva arus dan kurva tegangan terdistorsi, harmonik yang lebih tinggi muncul di jaringan.

Pertama-tama, non-sinusoidalitas disebabkan oleh adanya konverter statis, kemudian - generator sinkron, mesin las, lampu neon, tungku busur, transformator, motor, dan beban non-linier lainnya.

Secara matematis, non-sinusoidalitas kurva arus dan tegangan dapat direpresentasikan sebagai jumlah harmonik utama dari frekuensi utama dan harmoniknya yang lebih tinggi yang merupakan kelipatannya. Hasil analisis harmonik dalam deret Fourier trigonometri, dan nilai frekuensi dan fase harmonik yang dihasilkan dapat dengan mudah dihitung menggunakan rumus:

Faktanya, kombinasi tegangan dan arus non-sinusoidal yang dihasilkan dalam jaringan tiga fase dapat asimetris atau simetris.Sistem simetris tegangan non-sinusoidal untuk kelipatan tiga harmonik (k = 3n) mengarah pada pembentukan sistem tegangan urutan-nol.

Selanjutnya, pada k = 3n + 1, harmonik pada jaringan tiga fasa menghasilkan sistem tegangan urutan negatif yang simetris. Jadi setiap k-harmonik dari sistem simetris tegangan non-sinusoidal menghasilkan sistem tegangan fasa simetris urutan langsung, terbalik atau nol.

Namun dalam praktiknya, sistem tegangan fasa non-sinusoidal ternyata asimetris. Jadi, inti magnetik transformator tiga fase sendiri, mereka nonlinier dan asimetris, karena panjang jalur magnet untuk fase tengah dan akhir berbeda dengan faktor 1,9. Akibatnya, nilai efektif arus magnetisasi fase tengah adalah 1,3 — 1,55 kali lebih kecil dari nilai arus magnetisasi fase akhir.

Harmonik asimetris didekomposisi menjadi komponen simetris ketika setiap k -harmonik membentuk sistem tegangan fasa asimetris dan biasanya berisi komponen tiga urutan—nol, maju, dan mundur.

Jaringan tiga fase dengan netral terisolasi dicirikan oleh tidak adanya komponen urutan nol di setiap fase, asalkan tidak ada gangguan pembumian. Akibatnya, tidak ada kelipatan dari tiga harmonik dalam arus fasa, tetapi ada harmonik lain yang mengandung komponen urutan terbalik dan positif.

Penyearah daya, sebagai aturan, di sisi DC memiliki induktansi besar, yang merupakan belitan mesin DC dan reaktor penghalus.Induktansi ini berkali-kali lebih tinggi daripada induktansi setara dari sisi arus bolak-balik, oleh karena itu penyearah seperti itu sehubungan dengan jaringan arus bolak-balik berperilaku sebagai sumber arus harmonik yang lebih tinggi. Arus yang diarahkan ke jaringan dengan frekuensi harmonik memiliki nilai yang tidak bergantung pada parameter jaringan suplai.

Untuk jaringan listrik tiga fase, merupakan karakteristik untuk menggunakan penyearah gelombang penuh tiga fase untuk 6 katup sebagai konverter tersebut, dari mana mereka disebut enam pulsa atau enam fase. Kurva arus untuk masing-masing fase dalam hal ini dapat dijelaskan dengan persamaan (untuk arus satu fase A):

Terlihat bahwa arus fasa hanya mengandung harmonik ganjil yang bukan kelipatan tiga, dan tanda-tanda harmonik ini bergantian: harmonik positif orde 6k + 1 dan harmonik negatif orde 6k-1.

Jika penyearah dua belas fase digunakan, ketika sepasang penyearah enam fase dihubungkan ke sepasang transformator tiga fase (tegangan sekunder digeser fase oleh pi / 6), maka harmonik 12k + 1 dan 12k- 1-pesanan akan muncul, masing-masing.

Sebelum penyearah digunakan, hanya trafo dan berbagai mesin listrik yang menjadi sumber utama harmonik yang lebih tinggi dalam jaringan listrik. Tetapi bahkan saat ini transformator adalah elemen jaringan listrik yang paling umum.

Alasan transformator menghasilkan harmonik yang lebih tinggi adalah kurva magnetisasi non-linier dari sirkuit magnetik dan kehadiran konstan loop histeresis… Kurva magnetisasi non-linear dan loop histeresis menghasilkan distorsi dari arus magnetisasi tanpa beban sinusoidal asli dan hasilnya adalah harmonisa yang lebih tinggi pada arus yang ditarik transformator dari jaringan.

Transformator kelas 110 kV memiliki arus tanpa beban tidak lebih dari 1%, dan transformator kelas 6-10 kV - tidak lebih dari 2-3%. Ini adalah arus kecil dan kerugian aktifnya di sirkuit magnetik dapat diabaikan. Kurva magnetisasilah yang penting, bukan loop histeresis.

Kurva magnetisasinya simetris dan bahkan tidak ada harmonisa dalam pemuaian deret Fourier. Distorsi arus magnetisasi disebabkan oleh harmonik ganjil, di antaranya adalah kelipatan tiga. Harmoni ketiga diucapkan secara khusus, tetapi harmonik kelima dan ketujuh juga yang paling signifikan.

Harmoni EMF dan harmonik arus juga merupakan karakteristik motor, baik sinkron maupun asinkron… Harmoni ini disebabkan oleh fenomena yang sama seperti harmonisa arus yang dihasilkan oleh transformator—non-linearitas kurva magnetisasi bahan pembuat stator dan rotor.

Spektrum frekuensi harmonik arus motor listrik, seperti transformator, termasuk harmonik ganjil, di antaranya jelas merupakan kelipatan tiga. Yang paling signifikan di sini adalah harmonik ke-3, ke-5 dan ke-7.

Seperti dalam kasus transformator, perhitungan kasar memungkinkan kita mengambil persentase arus harmonik ke-3, ke-5 dan ke-7 sebesar 40% untuk harmonik ketiga, 30% untuk harmonik kelima dan 20% untuk harmonik ketujuh (persentase dari arus diam).