Razões para o aparecimento de harmônicos mais altos em sistemas de energia modernos

Os equipamentos elétricos do mundo moderno estão se tornando cada vez mais complexos, especialmente para tecnologias de TI. Devido a esta tendência, os sistemas de garantia de qualidade de energia devem atender a estes requisitos: eles simplesmente devem lidar facilmente com flutuações, surtos, quedas de tensão, ruído, ruído de impulso, etc., para que a rede industrial e seus usuários relacionados possam funcionar normalmente.

O redimensionamento da tensão da rede devido aos harmônicos causados ​​por cargas não lineares é um dos principais problemas a serem resolvidos. Neste artigo, veremos os aspectos mais aprofundados desse problema.

Qual é a essência do problema

A maior parte dos atuais equipamentos de escritório, computadores, escritório, equipamentos multimídia são geralmente cargas não lineares que, conectadas na rede elétrica comum em grandes quantidades, distorcem a forma da tensão da rede.

Essa tensão distorcida é dolorosamente percebida por outros dispositivos elétricos e às vezes atrapalha significativamente seu funcionamento normal: causa mau funcionamento, superaquecimento, quebra de sincronização, gera interferência em redes de transmissão de dados, — em geral, a tensão alternada não senoidal pode causar toda uma variedade de equipamentos , processos e transtornos às pessoas, inclusive materiais.

A distorção de tensão como tal é descrita por um par de coeficientes: o fator senoidal, que reflete a razão entre o valor rms dos harmônicos mais altos e o valor rms do harmônico fundamental da tensão da rede, e o fator de pico de carga, igual a uma relação entre o consumo de corrente de pico e a corrente de carga efetiva.

Por que os harmônicos mais altos são perigosos?

Os efeitos causados ​​pela manifestação de harmônicos superiores podem ser divididos de acordo com a duração da exposição em imediatos e de longo prazo. É comum mencionar os instantâneos: distorção da forma da tensão de alimentação, queda de tensão na rede de distribuição, efeitos harmônicos incluindo ressonância de frequência harmônica, interferência prejudicial em redes de transmissão de dados, ruído na faixa acústica, vibração de máquinas. Problemas de longo prazo incluem: perdas excessivas de calor em geradores e transformadores, superaquecimento de capacitores e redes de distribuição (fios).

Harmônicos e forma de tensão de linha

Correntes de pico significativas na metade da onda senoidal da rede levam a um aumento no fator de crista.Quanto maior e menor a corrente de pico, mais forte a distorção, enquanto o fator de pente depende das capacidades da fonte de energia, de sua resistência interna - se ela é capaz de fornecer tal corrente de pico. Algumas fontes devem ser superdimensionadas em relação à sua potência nominal, por exemplo enrolamentos especiais devem ser usados ​​em geradores.

Mas as fontes de alimentação ininterrupta (UPS) lidam muito melhor com esse problema: devido à dupla conversão, elas são capazes de controlar a corrente de carga a qualquer momento e regulá-la usando PWM, o que evita problemas devido ao alto coeficiente de pente da corrente . Em outras palavras, o alto fator de pico não é um problema para um no-break de qualidade.

Harmônicos mais altos e queda de tensão

Conforme observado acima, os UPSs lidam bem com altos fatores de crista e sua distorção de forma de onda não excede 6%. Conectar os fios aqui, via de regra, não importa, eles são bastante curtos. Porém, devido à abundância de harmônicos na tensão da linha, a forma de onda da corrente se desviará de senoidal, especialmente para harmônicos ímpares de alta frequência introduzidos por retificadores monofásicos e trifásicos (consulte a figura).

A impedância complexa da rede de distribuição é geralmente natureza indutiva, portanto, harmônicos de corrente em grandes quantidades levarão a quedas de tensão significativas em linhas de 100 metros de comprimento, e essas quedas podem exceder as permitidas, resultando em distorções na forma de tensão na carga.

Como exemplo, observe como a corrente de saída de um diodo retificador monofásico muda em diferentes impedâncias de rede, dependendo da resistência do filtro de entrada de um dispositivo energizado com uma entrada sem transformador, e como isso afeta a forma de onda da tensão.

O problema dos múltiplos harmônicos do terceiro

Terceiro, nono, décimo quinto, etc. — os harmônicos mais altos da corrente de rede são caracterizados por altos coeficientes de amplitude. Esses harmônicos surgem de cargas monofásicas e seu efeito em sistemas trifásicos é bastante específico. Se o sistema trifásico é simétrico, as correntes são deslocadas uma da outra em 120 graus e a corrente total no fio neutro é zero, - não há queda de tensão no fio.

Isso é verdade em teoria para a maioria dos harmônicos, mas alguns harmônicos são caracterizados pela rotação do vetor de corrente na mesma direção do vetor de corrente do harmônico fundamental. Como resultado, no neutro, os harmônicos ímpares que são múltiplos do terceiro são sobrepostos uns aos outros. E como esses harmônicos são a maioria, a corrente neutra total pode exceder as correntes de fase: digamos, correntes de fase de 20 amperes darão uma corrente neutra com frequência de 150 Hz a 30 amperes.

Um cabo projetado sem levar em conta a influência dos harmônicos pode superaquecer porque, segundo a mente, sua seção transversal deveria ter sido aumentada. Múltiplos harmônicos do terceiro são compensados ​​em um circuito trifásico em 360 graus um em relação ao outro.

Ressonância, interferência, ruído, vibração, aquecimento

As redes de distribuição têm perigo de ressonância em harmônicos de corrente ou tensão mais altos, nesses casos o componente harmônico acaba sendo maior que a frequência fundamental, o que afeta negativamente os componentes e equipamentos do sistema.

Redes de transmissão de dados localizadas próximas a linhas de energia através das quais as correntes com maior fluxo harmônico estão sujeitas a interferência, o sinal de informação nelas se deteriora, enquanto quanto menor a distância da linha à rede, maior é o comprimento de sua conexão, maior o frequência harmônica — maior o sinal de informação de distorção.

Transformadores e bobinas passam a fazer mais ruído devido aos harmônicos mais altos, motores elétricos experimentam pulsações no fluxo magnético, resultando em vibrações de torque no eixo. Máquinas elétricas e transformadores superaquecem e ocorrem perdas de calor. Nos capacitores, o ângulo de perda dielétrica aumenta com uma frequência maior que a da grade e eles começam a superaquecer, podendo ocorrer quebra dielétrica. Desnecessário falar das perdas nas linhas devido ao aumento de temperatura delas...