Źródła wyższych harmonicznych prądu

 

Wszystkie obciążenia nieliniowe

Wszystkie obciążenia nieliniowe pobierają prądy o przebiegu odkształconym. Przykłady takich obciążeń wymienione są poniżej.

 

·        Sprzęt radiowo-telewizyjny i komputerowy; odbiorniki te wyposażone są w różnej klasy zasilacze z pojemnościowymi filtrami napięcia, w których prądzie znaczący udział maja harmoniczne rzędu 3 i 5.

·        Świetlówki, zwłaszcza coraz powszechniej stosowane świetlówki kompaktowe, wyposażone w układ przemiennika częstotliwości; odbiorniki te pobierają prąd o bardzo szerokim spektrum wyższych harmonicznych.

·        Różnego rodzaju zasilacze, przede wszystkim zasilacze z przetwarzaniem energii (SMPS).

·        Bezstopniowe regulatory prędkości obrotowej silników, np. silników elektronarzędzi.

·        Elektroniczne sterowniki natężenia oświetlenia.

·        Układy bezprzerwowego zasilania (UPS).

·        Urządzenia z rdzeniami magnetycznymi czy na przykład transformatory, silniki.

 

 

Transformatory

Charakterystyka magnesowania transformatora jest silnie nieliniowa. Gdy punkt pracy transformatora znajduje się w stanie nasycenia powoduje to znaczne odkształcenia prądu magnesującego. Transformatory są projektowane tak żeby prąd magnesujący nie przekroczył 2 % prądu znamionowego i wtedy punkt pracy znajduje się poniżej kolana charakterystyki magnesowania na jej prostoliniowej części. Transformator pracując w takim punkcie pracy nie jest źródłem harmonicznych. Jednak w przypadku niewielkiego wzrostu napięcia spowoduje to wzrost prądu magnesującego i przesunięcie punktu pracy oraz znaczne odkształcenie tego prądu. Na rysunku [1.5] pokazano odkształcony prąd magnesujący przy podwyższonym o 15 % napięciu znamionowym. [3]

 

Rys.1.5. Odkształcony przebieg prądu magnesującego transformatora oraz jego widmo harmoniczne.

 

 

 

Silniki

Silniki także mogą spowodować przepływ prądów harmonicznych w celu wytworzenia pola magnetycznego. Jednak charakterystyka magnesowania silnika jest znacznie bardziej liniowa w porównaniu z charakterystyką magnesowania transformatora (z powodu szczeliny powietrznej), dlatego harmoniczne mają mniejsze znaczenie. Przyczyną występowania harmonicznych w większych silnikach może być ułożenie zwojów w żłobkach. Typowe uzwojenia posiadają 5 do 7 żłobków na biegun, co powoduje wytworzenie 5 lub 7 harmonicznej.

 

 

Zasilacze z przetwarzaniem energii (SMPS switch mode power supply).

Większość nowoczesnych urządzeń elektronicznych stosuje zasilacze z przetwarzaniem energii. W rozwiązaniu takim klasyczny transformator i prostownik jest zastąpiony przez układ ładowania kondensatora, z którego jest pobierany prąd stały. Jest to rozwiązanie stosowane przez producentów, ponieważ rozmiary, masa i koszty takiego zasilacza są dużo mniejsze.

 

Natomiast wadą takiego urządzenia, (co tak bardzo producenta już nie obchodzi) jest to, że zamiast zasilania ciągłego, zasilacz pobiera z sieci impulsy prądu zawierające duże ilości trzecich i wyższych harmonicznych. Na rys[1.6] pokazany jest przykładowy przebieg prądu pobieranego przez taki zasilacz oraz spektrum harmoniczne (rys [1.7])

 

Rys.1.6. Przykładowy przebieg prądu pobieranego przez PC [3]

Rys.1.7. Spektrum harmoniczne typowego komputera osobistego

 

 

 Wyładowcze źródła światła

W wyładowczych źródłach światła (np. tak zwanych świetlówkach) światło wytwarzane jest w oparciu o przepływ prądu przez parę lub gaz. Dławik występujący w strukturze takiego urządzenia jest źródłem trzeciej harmonicznej o znacznej wartości. Znaczenie harmonicznych prądu generowanych przez wyładowcze źródła światła wzrasta, ponieważ takie oświetlenie jest bardzo popularne.

Stateczniki

Elektroniczne urządzenia stabilizująco zapłonowe tzw. stateczniki także wyważają harmoniczne w prądzie wejściowym. Bardzo popularne są stateczniki współpracujące z świetlówkami kompaktowymi. Bardzo często tak zastępowane są żarówki z żarnikiem wolframowym. Miniaturowy statecznik elektroniczny zamontowany w obudowie steruje zasilaniem rurki fluorescencyjnej. Świetlówka o mocy 11 [W] odpowiada żarówkom o mocy 60[W] a ich okres eksploatacji jest także większy. Na rysunku [2] pokazane jest typowe spektrum harmoniczne prądu takiej lampy. Świetlówki takie bardzo często zastępują żarówki zwłaszcza w biurach czy hotelach gdzie poważne problemy z harmonicznymi stają się powszechne.

 

Rys.1.8. Typowe spektrum harmonicznych lampy fluorescencyjnej.

 

 

Przekształtniki

Przekształtniki stanowią bardzo obszerne zagadnienie. Jest ich bardzo wiele rodzajów i każdy generuje inne harmoniczne. Żeby lepiej zrozumieć istotę problemu za pomocą programu Tcad zasymulowano generację harmonicznych przez mostek obciążony rezystancją.

Rys.1.9. Schemat układu do badania harmonicznych generowanych przez prostownik

 

Rys.1.10. otrzymany przebieg prądu zasilania mostka w jednej fazie

 

 

Rys.1.11. Spektrum harmoniczne typowego mostka 6 pulsowego (do 45)

 

 

 

Mostek 6-pulsowy wytwarza harmoniczne 6-go rzędu +/- 1, to znaczy o jeden rząd więcej i mniej od wielokrotności 6. W teorii wartość każdej harmonicznej jest odwrotną wartością rzędu harmonicznej, (czyli piątej byłoby 20 % a jedenastej 9%). Rysunek [1.11] przedstawia typowe spektrum takiego mostka.

 

W przypadku zastosowania na wejściu dodatkowych dławików do redukcji składowej zmiennej prądu przekształtnik taki pobiera prąd z sieci pokazany na rysunku [1.12].

Rys.1.12. Prąd zasilający przekształtnik z dławikiem wygładzającym

Rys.1.13. Spektrum harmoniczne prądu pobieranego przez prostownik 6-pulsowy z dławikiem

 

Jak widać zawartość harmonicznych została znacznie obniżona. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie mostka 12 pulsowego znacznie zmniejsza wartość harmonicznych. Taki skutek przynosi zastosowanie dwóch mostków 6 pulsowych zasilanych transformatorem z uzwojeniem gwiazda trójkąt (wtedy jest 30 stopniowe przesunięcie fazowe między tymi samymi fazami w gwieździe i trójkącie). Połączenie takie przedstawione jest na rysunku [1.14]. Harmoniczne 6-go rzędu są teoretycznie usunięte, ale w praktyce wielkość ich redukcji wynosi 20 do 50 %. Harmoniczne 12-go rzędu pozostają niezmienione. Rys [1.15] przedstawia spektrum harmonicznych mostka 12-pulsowego.

Rys.1.14. Mostek 12-pulsowy

 

 

Rys.1.16. Spektrum harmonicznych mostka 12-pulsowego.

 

 

Producenci sprzętu często starają się zredukować wielkości prądów harmonicznych dodając filtr lub szeregowe cewki indukcyjne. Dalszy wzrost liczby pulsów, do 24, uzyskujemy dzięki zastosowaniu dwóch równoległych mostków 12 pulsowych ze zmianą fazy o 15 stopni. Takie rozwiązanie zmniejsza odkształcenie harmoniczne do około 4,5 %. To dodatkowo zwiększa koszt i takie dodatkowe urządzenia sterujące są używane tylko w razie konieczności spełnienia wymagań dostawcy energii. [2]

 

Przekształtników energii jest bardzo wiele. Poniżej podano najbardziej popularne i ich charakterystyczne cechy:

-        prostownik jednofazowy: dominująca 3-cia harmoniczna. THDI 80%

-        6 pulsowy prostownik z filtrem pojemnościowym bez szeregowej indukcyjności     THDI 80%

-        6 pulsowy prostownik z filtrem pojemnościowym i szeregowym dławikiem >3% lub zasilanie napędu prądu stałego THDI 40%

-        6 pulsowy przekształtnik z dławikiem o dużej indukcyjności dla redukcji składowej zmiennej prądu stałego THDI 28%

-        przekształtnik 12 pulsowy THDI 15%

-        sterownik prądu przemiennego z odbiornikiem rezystancyjnym. THDI zmienia się wraz ze zmiana kąta wysterowania [3]

 

 

 Harmoniczne napięcia

            Kiedy pobierany prąd przez urządzenie jest nieliniowy, to ze względu na impedancje źródła powoduje to odkształcenie sinusoidy napięcia. Powstaje nowy przebieg napięcia i odnosi się on do wszystkich innych obciążeń w tym samym obwodzie. Nawet, jeśli są to obciążenia liniowe powoduje to przepływ przez nie dodatkowych harmonicznych prądu. Przedstawione to jest na rysunku [1.16].

 

Rys.1.16 Odkształcenie napięcia zasilania przy obciążeniu nieliniowym.

 

Sytuacja jest o wiele bardziej skomplikowana, gdy efekt odkształcenia wywołany jest obecnością wielu odbiorników nieliniowych. Wtedy żeby określić odkształcenie należy uwzględnić:

-        wzajemne przesunięcie fazowe harmonicznych pochodzących od różnych źródeł.

-        efekt związany z nierównoczesną pracą takich odbiorników

-        efekt redukcji związany z małą impedancją zastępczą źródła

 

Dodatkowo ciekawy jest fakt, że dominującą rolę źródeł tego zaburzenia nie pełnią duże odbiorniki przemysłowe, lecz rozproszone odbiorniki komunalne o małych mocach jednostkowych, lecz występujące w bardzo dużej liczbie.