Ragioni per la comparsa di armoniche superiori nei moderni sistemi di alimentazione

Le apparecchiature elettriche del mondo moderno stanno diventando sempre più complesse, soprattutto per le tecnologie informatiche. A causa di questa tendenza, i sistemi di garanzia della qualità dell'alimentazione devono soddisfare questi requisiti: devono semplicemente gestire facilmente fluttuazioni, sovratensioni, cali di tensione, rumore, rumore impulsivo, ecc., in modo che la rete industriale e i relativi utenti possano funzionare normalmente.

Il rimodellamento della tensione di rete dovuto alle armoniche causate da carichi non lineari è uno dei principali problemi da risolvere. In questo articolo, esamineremo gli aspetti approfonditi di questo problema.

Qual è l'essenza del problema

La quota principale delle attuali apparecchiature per ufficio, computer, ufficio, apparecchiature multimediali sono generalmente carichi non lineari che, collegati alla rete elettrica comune in quantità enormi, distorcono la forma della tensione di rete.

Questa tensione distorta è dolorosamente percepita da altri dispositivi elettrici e talvolta interrompe in modo significativo il loro normale funzionamento: provoca malfunzionamenti, surriscaldamento, interruzioni della sincronizzazione, genera interferenze nelle reti di trasmissione dati, — in generale, la tensione alternata non sinusoidale può causare un'ampia varietà di apparecchiature , processi e disagi alle persone, anche materiali.

La distorsione di tensione in quanto tale è descritta da una coppia di coefficienti: il fattore sinusoidale, che riflette il rapporto tra il valore efficace delle armoniche superiori e il valore efficace dell'armonica fondamentale della tensione di rete, e il fattore di cresta del carico, pari a un rapporto tra il consumo di corrente di picco e la corrente di carico effettiva.

Perché le armoniche più alte sono pericolose?

Gli effetti causati dalla manifestazione di armoniche superiori possono essere suddivisi in base alla durata dell'esposizione in immediati ea lungo termine. È comune menzionare istantanei: distorsione della forma della tensione di alimentazione, caduta di tensione della rete di distribuzione, effetti armonici inclusa la risonanza della frequenza armonica, interferenza dannosa nelle reti di trasmissione dati, rumore nella gamma acustica, vibrazione dei macchinari. I problemi a lungo termine includono: eccessive perdite di calore in generatori e trasformatori, surriscaldamento di condensatori e reti di distribuzione (cavi).

Armoniche e forma della tensione di linea

Correnti di picco significative in metà dell'onda sinusoidale della rete portano ad un aumento del fattore di cresta.Più alta e più breve è la corrente di picco, più forte è la distorsione, mentre il fattore pettine dipende dalle capacità della fonte di alimentazione, dalla sua resistenza interna, se è in grado di fornire una tale corrente di picco. Alcune sorgenti devono essere sopravvalutate rispetto alla loro potenza nominale, ad esempio nei generatori devono essere utilizzati avvolgimenti speciali.

Ma i gruppi di continuità (UPS) affrontano molto meglio questo problema: grazie alla doppia conversione, sono in grado di controllare la corrente di carico in qualsiasi momento e regolarla tramite PWM, il che evita problemi dovuti all'elevato coefficiente di pettine della corrente . In altre parole, l'alto fattore di cresta non è un problema per un UPS di qualità.

Armoniche superiori e caduta di tensione

Come notato sopra, gli UPS gestiscono bene fattori di cresta elevati e la loro distorsione della forma d'onda non supera il 6%. I cavi di collegamento qui, di regola, non contano, sono piuttosto corti. Ma a causa dell'abbondanza di armoniche nella tensione di linea, la forma d'onda della corrente devierà da quella sinusoidale, specialmente per le armoniche dispari ad alta frequenza introdotte dai raddrizzatori monofase e trifase (vedi figura).

L'impedenza complessa della rete di distribuzione è solitamente natura induttiva, pertanto, le armoniche di corrente in grandi quantità porteranno a significative cadute di tensione su linee lunghe 100 metri e queste cadute possono superare quelle consentite, a seguito delle quali la forma della tensione sul carico sarà distorta.

Ad esempio, si noti come la corrente di uscita di un raddrizzatore a diodi monofase cambi a diverse impedenze di rete, a seconda della resistenza del filtro di ingresso di un dispositivo alimentato con ingresso senza trasformatore, e come ciò influisca sulla forma d'onda della tensione.

Il problema delle armoniche multiple di terza

Terzo, nono, quindicesimo, ecc. — le armoniche superiori della corrente di rete sono caratterizzate da elevati coefficienti di ampiezza. Queste armoniche derivano da carichi monofase e il loro effetto sui sistemi trifase è piuttosto specifico. Se il sistema trifase è simmetrico, le correnti sono spostate l'una dall'altra di 120 gradi e la corrente totale nel filo neutro è zero, - non c'è caduta di tensione attraverso il filo.

Questo è vero in teoria per la maggior parte delle armoniche, ma alcune armoniche sono caratterizzate dalla rotazione del vettore corrente nella stessa direzione del vettore corrente dell'armonica fondamentale. Di conseguenza nel neutro gli armonici dispari multipli di terza si sovrappongono. E poiché queste armoniche sono la maggioranza, la corrente neutra totale può superare le correnti di fase: diciamo, correnti di fase di 20 ampere daranno una corrente neutra con una frequenza di 150 Hz a 30 ampere.

Un cavo progettato senza tener conto dell'influenza delle armoniche può surriscaldarsi perché, secondo la mente, la sua sezione avrebbe dovuto essere aumentata. I multipli armonici del terzo sono sfalsati in un circuito trifase di 360 gradi l'uno rispetto all'altro.

Risonanza, interferenza, rumore, vibrazione, riscaldamento

Le reti di distribuzione hanno pericolo di risonanza ad armoniche di corrente o tensione più elevate, in questi casi la componente armonica risulta essere superiore alla frequenza fondamentale, il che influisce negativamente sui componenti e sulle apparecchiature del sistema.

Le reti di trasmissione dati poste in prossimità di linee elettriche attraversate da correnti con armoniche più elevate sono soggette a interferenze, il segnale informativo in esse contenuto si deteriora, mentre minore è la distanza dalla linea alla rete, maggiore è la lunghezza della loro connessione, maggiore è la frequenza armonica: maggiore è il segnale informativo sulla distorsione.

Trasformatori e induttanze iniziano a fare più rumore a causa di armoniche più elevate, i motori elettrici subiscono pulsazioni nel flusso magnetico, con conseguenti vibrazioni di coppia sull'albero. Macchine elettriche e trasformatori si surriscaldano e si verificano perdite di calore. Nei condensatori, l'angolo di perdita dielettrica aumenta con una frequenza superiore alla griglia e iniziano a surriscaldarsi, può verificarsi un guasto dielettrico. Inutile parlare delle perdite nelle linee dovute all'aumento della loro temperatura...