Sorgenti di armoniche nelle reti elettriche

Poiché gli elementi non lineari sono invariabilmente presenti nell'elettricità moderna, specialmente nelle reti industriali, di conseguenza, le curve di corrente e di tensione sono distorte, nelle reti compaiono armoniche più elevate.

Prima di tutto, la non sinusoidalità è dovuta alla presenza di convertitori statici, quindi - generatori sincroni, saldatrici, lampade fluorescenti, forni ad arco, trasformatori, motori e altri carichi non lineari.

Matematicamente, la non sinusoidalità delle curve di corrente e tensione può essere rappresentata come la somma dell'armonica principale della frequenza di rete e delle sue armoniche superiori che ne sono multiple. L'analisi armonica si traduce in una serie trigonometrica di Fourier e i valori delle frequenze e delle fasi delle armoniche risultanti possono essere facilmente calcolati utilizzando la formula:

Infatti, la risultante combinazione di tensioni e correnti non sinusoidali in una rete trifase può essere asimmetrica o simmetrica.Un sistema simmetrico di tensioni non sinusoidali per multipli di tre armoniche (k = 3n) porta alla formazione di un sistema di tensioni omopolari.

Inoltre, a k = 3n + 1, l'armonica nella rete trifase genera un sistema simmetrico di tensioni di sequenza inversa. Quindi ogni armonica k di un sistema simmetrico di tensioni non sinusoidali si traduce in un sistema simmetrico di tensioni di fase di sequenza diretta, inversa o zero.

In pratica, però, il sistema delle tensioni di fase non sinusoidali risulta essere asimmetrico. COSÌ, nuclei magnetici di trasformatori trifase essi stessi, sono non lineari e asimmetrici, poiché le lunghezze dei percorsi magnetici per le fasi intermedie e finali differiscono di un fattore 1,9. Di conseguenza, i valori effettivi delle correnti magnetizzanti della fase intermedia sono 1,3 - 1,55 volte inferiori ai valori delle correnti magnetizzanti per le fasi finali.

Le armoniche asimmetriche vengono scomposte in componenti simmetriche quando ogni armonica k forma un sistema asimmetrico di tensioni di fase e contiene tipicamente componenti di tre sequenze: zero, diretta e inversa.

Le reti trifase con neutro isolato sono caratterizzate dall'assenza di componenti omopolari in ciascuna delle fasi, a condizione che non vi siano guasti a terra. Di conseguenza, non ci sono multipli di tre armoniche nelle correnti di fase, ma ci sono altre armoniche che contengono componenti di sequenza inversa e positiva.

I raddrizzatori di potenza, di norma, sul lato CC hanno grandi induttanze, che sono avvolgimenti di macchine CC e reattori di livellamento.Tali induttanze sono molte volte superiori all'induttanza equivalente del lato in corrente alternata, pertanto tali raddrizzatori rispetto alla rete in corrente alternata si comportano come sorgenti di corrente armonica superiore. La corrente diretta alla rete con frequenza armonica ha un valore che non dipende dai parametri della rete di alimentazione.

Per le reti elettriche trifase, è caratteristico utilizzare raddrizzatori trifase a onda intera per 6 valvole come tali convertitori, da cui sono chiamati sei impulsi o sei fasi. La curva di corrente per ciascuna delle fasi in questo caso può essere descritta dall'equazione (per la corrente di una fase A):

Si può notare che le correnti di fase contengono solo armoniche dispari non multiple di tre, ei segni di queste armoniche si alternano: armoniche positive di 6k + 1° ordine e armoniche negative di 6k-1° ordine.

Se viene utilizzato un raddrizzatore a dodici fasi, quando una coppia di raddrizzatori a sei fasi è collegata a una coppia di trasformatori trifase (le tensioni secondarie sono sfasate di pi / 6), quindi le armoniche di 12k + 1 e 12k- 1-ordini appariranno, rispettivamente.

Prima che venissero utilizzati i raddrizzatori, solo i trasformatori e varie macchine elettriche erano la principale fonte di armoniche superiori nelle reti elettriche. Ma ancora oggi i trasformatori sono gli elementi più comuni delle reti elettriche.

Il motivo per cui i trasformatori generano armoniche più elevate è la curva di magnetizzazione non lineare dei circuiti magnetici e la costante presenza di cicli di isteresi… Una curva di magnetizzazione non lineare e un ciclo di isteresi generano distorsioni della corrente di magnetizzazione a vuoto sinusoidale originale e il risultato sono armoniche più elevate nella corrente che il trasformatore preleva dalla rete.

I trasformatori della classe 110 kV non hanno più dell'1% di corrente a vuoto e i trasformatori della classe 6-10 kV - non più del 2-3%. Queste sono piccole correnti e le loro perdite attive nel circuito magnetico sono trascurabili. È la curva di magnetizzazione che conta, non il ciclo di isteresi.

La curva di magnetizzazione è simmetrica e non ci sono nemmeno armoniche nell'espansione in serie di Fourier. La distorsione della corrente di magnetizzazione è causata da armoniche dispari, tra cui multipli di tre. La terza armonica è particolarmente pronunciata, ma anche la quinta e la settima armonica sono le più significative.

Anche le armoniche EMF e le armoniche di corrente sono caratteristiche dei motori, sia sincroni che asincroni… Queste armoniche sono causate dagli stessi fenomeni delle armoniche di corrente generate dai trasformatori: la non linearità della curva di magnetizzazione dei materiali di cui sono fatti lo statore e il rotore.

Lo spettro di frequenza delle armoniche di corrente dei motori elettrici, come quello dei trasformatori, comprende armoniche dispari, tra cui ovviamente multipli di tre. Le più significative qui sono la 3a, 5a e 7a armonica.

Come nel caso dei trasformatori, i calcoli approssimativi ci permettono di portare la percentuale di correnti di 3a, 5a e 7a armonica al 40% per la terza armonica, 30% per la quinta armonica e 20% per la settima armonica (percentuale di la corrente di riposo).