Alasan munculnya harmonik yang lebih tinggi dalam sistem tenaga modern

Peralatan listrik dunia modern menjadi semakin kompleks, terutama untuk teknologi IT. Karena tren ini, sistem jaminan kualitas daya harus memenuhi persyaratan ini: mereka harus dengan mudah menangani fluktuasi, lonjakan, penurunan tegangan, derau, derau impuls, dll., sehingga jaringan industri dan pengguna terkait dapat berfungsi secara normal.

Reshaping tegangan jaringan akibat harmonik yang disebabkan oleh beban non-linier merupakan salah satu masalah utama yang harus dipecahkan. Pada artikel ini, kita akan melihat aspek mendalam dari masalah ini.

Apa inti masalahnya

Bagian utama dari peralatan kantor saat ini, komputer, kantor, peralatan multimedia umumnya adalah beban non-linier, yang terhubung ke jaringan listrik umum dalam jumlah besar, mengubah bentuk tegangan jaringan.

Tegangan yang terdistorsi ini sangat dirasakan oleh perangkat listrik lain dan terkadang secara signifikan mengganggu operasi normalnya: menyebabkan malfungsi, panas berlebih, memutus sinkronisasi, menimbulkan gangguan pada jaringan transmisi data, — secara umum, tegangan bolak-balik non-sinusoidal dapat menyebabkan berbagai macam peralatan , proses dan ketidaknyamanan bagi orang-orang, termasuk materi.

Distorsi tegangan seperti itu dijelaskan oleh sepasang koefisien: faktor sinusoidal, yang mencerminkan rasio nilai rms dari harmonik yang lebih tinggi dengan nilai rms dari harmonik dasar dari tegangan jaringan, dan faktor puncak beban, sama dengan rasio konsumsi arus puncak dengan arus beban efektif.

Mengapa harmonik yang lebih tinggi berbahaya?

Efek yang disebabkan oleh manifestasi harmonik yang lebih tinggi dapat dibagi menurut durasi paparan menjadi jangka pendek dan jangka panjang. Adalah umum untuk menyebutkan sesaat: distorsi bentuk tegangan suplai, penurunan tegangan jaringan distribusi, efek harmonik termasuk resonansi frekuensi harmonik, interferensi berbahaya dalam jaringan transmisi data, kebisingan dalam rentang akustik, getaran mesin. Masalah jangka panjang meliputi: kehilangan panas yang berlebihan pada generator dan transformator, kapasitor dan jaringan distribusi (kabel) yang terlalu panas.

Harmonik dan bentuk tegangan saluran

Arus puncak yang signifikan di setengah jaringan gelombang sinus menyebabkan peningkatan faktor puncak.Semakin tinggi dan pendek arus puncak, semakin kuat distorsinya, sedangkan faktor sisir bergantung pada kemampuan sumber daya, pada resistansi internalnya - apakah mampu mengalirkan arus puncak seperti itu. Beberapa sumber harus dilebih-lebihkan dalam kaitannya dengan daya pengenalnya, misalnya belitan khusus harus digunakan dalam generator.

Tetapi catu daya tak terputus (UPS) mengatasi masalah ini jauh lebih baik: karena konversi ganda, mereka dapat mengontrol arus beban kapan saja dan mengaturnya menggunakan PWM, yang menghindari masalah karena tingginya koefisien sisir arus . Dengan kata lain, faktor puncak yang tinggi bukanlah masalah bagi UPS yang berkualitas.

Harmonik yang lebih tinggi dan penurunan tegangan

Seperti disebutkan di atas, UPS menangani faktor puncak tinggi dengan baik dan distorsi bentuk gelombangnya tidak melebihi 6%. Menghubungkan kabel di sini, sebagai aturan, tidak masalah, kabelnya cukup pendek. Tetapi karena banyaknya harmonik dalam tegangan saluran, bentuk gelombang arus akan menyimpang dari sinusoidal, terutama untuk harmonik frekuensi tinggi ganjil yang diperkenalkan oleh penyearah satu fasa dan tiga fasa (lihat gambar).

Impedansi kompleks dari jaringan distribusi biasanya sifat induktif, oleh karena itu, harmonisa arus dalam jumlah besar akan menyebabkan penurunan tegangan yang signifikan pada saluran sepanjang 100 meter, dan penurunan ini dapat melebihi yang diizinkan, akibatnya bentuk tegangan pada beban akan terdistorsi.

Sebagai contoh, perhatikan bagaimana arus keluaran penyearah dioda satu fasa berubah pada impedansi jaringan yang berbeda, tergantung pada resistansi filter input perangkat bertenaga dengan input tanpa transformator, dan bagaimana hal ini memengaruhi bentuk gelombang tegangan.

Soal kelipatan harmonik ketiga

Ketiga, kesembilan, kelima belas, dst. — harmonik yang lebih tinggi dari arus utama dicirikan oleh koefisien amplitudo yang tinggi. Harmonik ini muncul dari beban satu fasa dan efeknya pada sistem tiga fasa cukup spesifik. Jika sistem tiga fasa adalah simetris, arus dipindahkan satu sama lain sebesar 120 derajat, dan arus total pada kabel netral adalah nol, — tidak ada penurunan tegangan pada kabel.

Hal ini berlaku dalam teori untuk sebagian besar harmonik, tetapi beberapa harmonik dicirikan oleh rotasi vektor arus dalam arah yang sama dengan vektor arus harmonik fundamental. Akibatnya, dalam netral harmonik ganjil yang merupakan kelipatan dari yang ketiga ditumpangkan satu sama lain. Dan karena harmonik ini mayoritas, total arus netral dapat melebihi arus fasa: katakanlah, arus fasa 20 ampere akan menghasilkan arus netral dengan frekuensi 150 Hz pada 30 ampere.

Sebuah kabel yang didesain tanpa memperhitungkan pengaruh harmonisa bisa menjadi overheat karena menurut pemikiran seharusnya penampangnya diperbesar. Kelipatan harmonik dari yang ketiga diimbangi dalam sirkuit tiga fase sebesar 360 derajat relatif satu sama lain.

Resonansi, gangguan, kebisingan, getaran, pemanasan

Jaringan distribusi memiliki bahaya resonansi pada harmonik arus atau tegangan yang lebih tinggi, dalam kasus ini komponen harmonik ternyata lebih tinggi dari frekuensi dasar, yang berdampak negatif pada komponen dan peralatan sistem.

jaringan transmisi data yang terletak di dekat saluran listrik yang melaluinya arus dengan aliran harmonik yang lebih tinggi mengalami gangguan, sinyal informasi di dalamnya memburuk, sedangkan semakin pendek jarak dari saluran ke jaringan, semakin besar panjang koneksinya, semakin tinggi frekuensi harmonik — semakin besar distorsi sinyal informasi.

Transformer dan choke mulai mengeluarkan lebih banyak suara karena harmonik yang lebih tinggi, motor listrik mengalami denyutan pada fluks magnet, menghasilkan getaran torsi pada poros. Mesin listrik dan trafo mengalami panas berlebih dan terjadi kehilangan panas. Dalam kapasitor, sudut kehilangan dielektrik meningkat dengan frekuensi yang lebih tinggi dari kisi, dan kapasitor mulai menjadi terlalu panas, kerusakan dielektrik dapat terjadi. Tidak perlu membicarakan kerugian di garis karena kenaikan suhunya ...