Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 107-91-50 ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Интергармоники

Описание:

Гармониками являются токи или напряжения, имеющие частоту, кратную основной частоте переменного тока. Интергармониками являются токи или напряжения, не являющиеся кратными основной частоте переменного тока.

Интергармоники (Interharmonics)

Введение

Гармониками являются токи или напряжения, имеющие частоту, кратную основной частоте переменного тока. Интергармониками 1 являются токи или напряжения, не являющиеся кратными основной частоте переменного тока. Полного понимания природы электромагнитных возмущений, ассоциирующихся с интергармониками, еще нет, и в настоящее время к этому явлению возник повышенный интерес. Интергармоники всегда присутствуют в системе электроснабжения, но в последнее время с резким увеличением силовых электронных систем их практическое влияние стало более ощутимым.

Термины

При анализе формы синусоиды переменного тока гармоники и интергармоники определяются как компоненты спектра в квазиустойчивом состоянии в неком диапазоне частот. В таблице представлены их математические определения.

Таблица
Спектральные составляющие волны (частоты f)
Гармоника f = nf1, где n является числом кратности больше нуля
Компонент постоянного тока f = nf1 для n = 0
Интергармоника f ≠ nf1, где n является числом кратности больше нуля
Субгармоника f > 0 Гц и f < f1

* f1 – основная частота по напряжению

Термин «субгармонический» не имеет официального определения – это лишь частный случай интергармоники, когда частота интергармоники меньше частоты основной частоты. Тем не менее, этот термин часто встречается в текстах и употребляем в профессиональном обороте.

Стандарт МЭК 61000-2-1 2 дает следующее определение интергармоники:

Между гармониками основной (силовой) частоты и тока могут наблюдаться иные частотные составляющие, которые не кратны основной частоте. Они могут проявляться как обособленные частотные составляющие, так и совмещенные3.

Для лучшего понимания необходимо рассмотреть следующие понятия.

Интергармоническая частота

Любая частота, не кратная основной частоте. По аналогии с порядком кратности гармоник порядок интергармонической частоты основан на отношении к основной частоте. Если это отношение меньше единицы, то такую гармоническую частоту называют субгармонической. В соответствии с рекомендацией МЭК порядок интергармонических частот обозначается буквой «m» (МЭК 61000-2-2)4.

Интергармоническое напряжение (аналогично и для тока)

Синусоидальное напряжение, имеющее промежуточную частоту между двумя гармониками, т. е. частоту, не кратную основной частоте.

Источники

Два механизма приводят к появлению интергармоник. Первый заключается в возникновении составляющих в частоте питающего напряжения и его гармониках в результате изменения их амплитуд и/или углов фаз. Это вызывается быстрым изменением значений тока в электроустановках и оборудовании, которые могут быть причиной перепада напряжения. Возмущения вызываются нагрузками в переходных режимах постоянно или временно или во многих случаях при возникновении модуляции токов и напряжений. Эти возмущения носят случайный характер и зависят от оборудования и действующих процессов.

Вторым механизмом является асинхронное переключение (т. е. несинхронизированное с частотой питания) полупроводниковых устройств статических преобразователей. Типичным примером являются преобразователи частоты и устройства с широтно-импульсной модуляцией. Производимые ими интергармоники можно обнаружить практически в любой части спектра питания.

В некоторых изделиях имеют место оба механизма появления интергармоник.

Интергармоники могут появляться при любых значениях напряжения и перетекать из одних систем в другие. Так, интергармоники, образовавшиеся в сетях высокого и среднего напряжения, переходят в сети низкого напряжения и наоборот. Амплитуда интергармоник редко превышает 0,5 % значения амплитуды основной частоты, но в условиях резонанса могут возникнуть и большие значения.

Основные источники возмущений включают:

- дуговые нагрузки;

- электроприводы с переменной нагрузкой;

- статические преобразователи, в частности преобразователи частот с прямым и косвенным управлением;

- устройства управления фазами.

Интергармоники могут также вызываться колебательными явлениями, возникающими, например, в системах с сериями или параллельно установленными конденсаторами или специфическими режимами работы силовых трансформаторов.

В системе питания всегда присутствует фоновый гауссов шум во всем спектре частот. Типичные возмущения составляют (МЭК 1000-2-1):

- 40–50 мВ (около 0,02 % Un) при измерении в полосе частот 10 Гц;

- 20–25 мВ (около 0,01 % Un) при измерении в полосе частот 3 Гц,

где Un соответствует номинальному напряжению (230 В).

Дуговые нагрузки

Эта группа включает дуговые печи и сварочные аппараты. Дуговые печи обычно не производят значительные интергармоники, кроме тех случаев, когда в результате резонанса происходит их усиление. Переходные процессы – источник интергармоник – практически всегда возникают в начале режима плавления (рис. 1).

Сварочные аппараты производят непрерывные по спектру частот составляющие, для каждого режима свои. Длительность каждого процесса варьируется от одной до нескольких секунд в зависимости от типа сварочного аппарата.

Мерцание в типичном процессе работы дуговой печи, измеренное на вторичном контуре трансформатора

Рисунок 1 (подробнее)

Мерцание в типичном процессе работы дуговой печи, измеренное на вторичном контуре трансформатора

Электродвигатели

Индуктивные электродвигатели могут быть источником интергармоник из-за щелей между металлом в роторе и статоре, особенно при насыщении магнитного контура (так называемые щелевые гармоники). При постоянной скорости вращения частоты возмущающих компонентов обычно находятся в пределах 500–2 000 Гц, но в период пуска и разгона двигателя их значения могут быть шире. Естественные эле-менты асимметрии конструкции электропривода (отклонения от детальных чертежных геометрических размеров, несоосность, например) могут также являться причиной возникновения интергармоник (рис. 2).

Результаты спектроизмерения фаз тока и напряжения электродвигателя на его разъемах

Рисунок 2 (подробнее)

Результаты спектроизмерения фаз тока и напряжения электродвигателя на его разъемах;

а), с) – полный спектр;

b), d) – спектр с исключенной основной частотой

Статические преобразователи частоты

Преобразователи с прямым управлением

Преобразователи с прямым управлением имеют контур обратной связи постоянного тока с входным преобразователем на стороне питания и выходной преобразователь (обычно функционирующий как инвертер) на стороне нагрузки. И в конфигурации преобразования напряжения, и тока контур постоянного тока имеет фильтр, который разъединяет ток или напряжения по питанию от выходного. Но поскольку идеальных фильтров просто не существует, все равно некая связь остается. В результате, компоненты тока, связанные с нагрузкой, присутствуют и в связующей цепи постоянного тока и, соответственно, передаются на сторону питания. Эти компоненты по отношению в основной частоте являются субгармониками и интергармониками.

Инверторы с управлением по току нагрузки

Из-за техники переключения, свойственной полупроводниковым приборам, их еще называют преобразователями частоты с косвенным управлением (line commutated indirect frequency converters). Частотный преобразователь состоит из двух трехфазных мостов P1 и P2 и контура обратной связи постоянного тока со стабилизатором (c индуктивностью Ld, рис. 3). Один из мостов работает в режиме выпрямителя, а другой – в режиме инвертера, хотя их функции могут взаимозаменяться.

Рисунок 3.

Преобразователь частоты с инветрером, управляемым по току нагрузки

Присутствие двух мостов-выпрямителей обеспечило наличие в контуре обратной связи различных частот от двух систем – f1 и f2. Каждый из преобразователей передаст в этот контур неспецифические составляющие, которые появятся в виде нетипичных гармоник в цепях переменного тока, как на стороне питания, так и нагрузки.

Составляющие в контуре постоянного тока:

- от системы 1: fd1 = p1kf1 k = 0, 1, 2…

- от системы 2: fd2 = p2nf2 n = 0, 1, 2…

где p1, p2 – номер импульса от преобразователей P1 и P2 соответственно;

f1 – основная частота системы 1 (питание), Гц;

f2 – основная частота системы 2 (нагрузка), Гц.

Преобразователь P1 вызовет специфические гармоники тока в цепи питания на следующих частотах:

Fhh,char = (p1k ± 1)f1 k = 1, 2...

В дополнение к этому возникнут составляющие от составляющих, появившихся в контуре P2.

Полный набор частотных составляющих на стороне питания можно выразить следующим образом:

частотные составляющие тока в цепи питания (система 1) = (kp1 ± 1)f1 ± p2nf2,

где k = 0, 1, 2... и n = 0, 1, 2…

Представив, что n = 0 для k = 0, 1, 2... мы получим порядки специфических гармоник для приведенной конфигурации преобразователя P1. Составляющие, определенные для k = const и n = 0, являются ближайшими боковыми частот инвертера. Таким образом, каждая специфическая гармоника, например, для шестиимпульсного моста порядка n1 = 1, 5, 7… имеет собственные боковые неспецифические составляющие, как наглядно видно на рис. 4 для пятой гармоники.

Первая пара интергармоник, возникающих вблизи основной частоты, например, с частотами f1 ± p2f2, имеет наибольшую амплитуду. Индуктивность стабилизатора в контуре постоянного тока имеет значительное влияние на уровень интергармоник. Примером конфигурации электропривода с инвертором тока может служить асинхронный привод с субсинхронным выпрямительным каскадом (с восстановлением соскальзывания скорости).

Преобразователи с управлением по напряжению

Для преобразователей частоты с управлением по напряжению (рис. 5) также доминируют характерные гармоники преобразователя P1. Боковые частоты, определяемые числом импульсов преобразователя P2, возникают вокруг этих характерных частот P1, а именно: (kp1 ± 1) f1 ± np2f2 для k = 0, 1, 2, 3… n = 0, 1, 2… В большинстве случаев нехарактерные составляющие представляют очень малую долю тока питания. Численное определение гармоник по току питания и значений интергармоник требует точного анализа характеристик каждого конкретного преобразователя вместе с характеристиками нагрузки или хотя бы заявляемые в этой связи сведения производителя.

Некоторые преобразователи включают активный выпрямитель сетевого тока с частотой переключения, не являющейся кратной частоте питания. Эта частота может быть постоянной или меняться в зависимости от конкретной модели устройства.

Преобразователи, меняющие сетевое напряжение в напряжение с регулируемой амплитудой и частотой, построенные по схеме с выпрямителем с ШИМ-модуляцией, излучают составляющие тока на управляющей частоте микропроцессора, равно как и соответствующие гармоники, не синхронизированные с частотой сети. Их диапазон обычно лежит в пределах от нескольких сотен герц до десятков килогерц.

Боковые частоты, прилегающие к специфической пятой гармонике шестиимпульсного преобразователя P1 и P2

Рисунок 4.

Боковые частоты, прилегающие к специфической пятой гармонике шестиимпульсного преобразователя P1 и P2

Схема частотного преобразователя с управлением по напряжению

Рисунок 5.

Схема частотного преобразователя с управлением по напряжению

Продолжение в следующем номере

Перепечатано с сокращениями из издания Европейского института меди  «Прикладные аспекты качества электроэнергии»

Перевод с английского Е. В. Мельниковой

Редактор перевода В. С. Ионов

Комментарий к российскому изданию

НП «Национальный центр меди» (НП «НЦМ») приняло в 2005 году от Европейского института меди эстафету по изучению и информированию общества о свойствах меди, ее сплавов и продукции из нее. В настоящее время Европейский институт меди является членом НП «НЦМ» вместе с рядом других производителей меди или изделий из нее: компаниями Каймер Европа ГмбХ, Оутокумпу, КМ Европа АГ (КМЕ), Ревдинским заводом по обработке цветных металлов и Уральской горнометаллургической компанией. Одним из направлений деятельности НП «НЦМ» является программа «Электротехника». В рамках указанной программы НП «НЦМ» продолжает начатую в 2001 году Европейским институтом меди публикацию серии разделов из курса «Прикладные аспекты качества электроэнергии» (Power Quality Application Guide). Указанная публикация составляет ядро широкомасштабной программы по переподготовке и самостоятельному обучению практикующих специалистов в области проектирования, монтажа, наладки и эксплуатации электроустановок, призванная помочь им привести в соответствие реалиям сегодняшнего дня знания относительно новых явлений в электроустановках, влияющих на качество электроэнергии. Одной из причин, способствовавших созданию данной программы и оказанию ей поддержки Европейской Комиссией (учебные программы «Леонардо да Винчи»), было отсутствие систематизированного представления о всех аспектах качества электроэнергии, факторы которого кроются в различных областях электротехники и электроники.

В настоящее время число партнеров программы в Европе превышает 92. Сайт программы www.lpqi.org. Российские организации также имеют возможность стать партнерами программы.

1 В РФ используют термины «интергармоника» и «промежуточная гармоника». Примеч. ред. пер.

2 IEC 61000-2-1.

3 В проекте общего технического регламента «Об электромагнитной совместимости» предлагается следующее определение: «Интергармоника (составляющая промежуточная гармоническая) – составляющая тока или напряжения с частотой, не кратной основной частоте». Примеч. ред. пер.

4 IEC 61000-2-2. МЭК 61000-2-2. «Электромагнитная совместимость» (ЭМС). Ч. 2.2. «Электромагнитная обстановка. Уровни электромагнитной совместимости для низкочастотных кондуктивных помех и сигналов, передаваемых в распределительных системах электроснабжения общего назначения».

 

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №7'2005

распечатать статью распечатать статью


Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте