WPŁYW NA ODBIORNIKI I POPRAWA JAKOŚCI

Harmoniczne prądu i napięcia

Przegrzanie przewodu neutralnego

W systemie trójfazowym sinusoida napięcia każdej fazy jest przesunięta o 120 stopni w stosunku do punktu neutralnego. Gdy obciążenie jest symetryczne, czyli dla każdej fazy jednakowe, to sumaryczny prąd w punkcie neutralnym wynosi zero. Kiedy obciążenie jest niesymetryczne, różnica prądów pojawia się w przewodzie neutralnym. Kiedyś, gdy nie przejmowano się skutkami związanymi z zawartością harmonicznych, instalowano przewody neutralne o średnicy dwa razy mniejszej. Niestety harmoniczne 3 rzędu dodają się w punkcie neutralnym. Może to prowadzić do przegrzania przewodu neutralnego. W przypadku wartości 60 % trzeciej harmonicznej w każdej fazie, prowadzi to do pojawienia się 180 % harmonicznej prądu w przewodzie neutralnym. [2]

symulacja dodawania się 3 harmonicznej w przewodzie neutralnym - kliknij

Rysunek 3.1 Symulacja dodawania się trzeciej harmonicznej

Wpływ na transformatory

Straty wynikające z prądów wirowych to zwykle około 10 % strat w transformatorach. Zależą one od częstotliwości, więc rosną z kwadratem rzędu harmonicznej. Przy nieliniowym pełnym obciążeniu transformatora, straty mogą być nawet dwa razy większe niż w transformatorze obciążonym liniowo. Powoduje to wyższą temperaturę pracy i szybsze zużycie i starzenie izolacji. Mniejsze znaczenie mają straty histerezowe (zależne od częstotliwości) i straty spowodowane efektem naskórkowości.

Inny wpływ na transformatory mają harmoniczne 3-go rzędu. Przy uzwojeniu połączonym w trójkąt, wszystkie harmoniczne 3-go rzędu krążą sumując się w uzwojeniach. W związku z tym nie rozprzestrzeniają się one w systemie zasilania a transformatory tego typu służą jako transformatory izolujące harmoniczne. . Inne harmoniczne niestety przechodzą przez taki „izolator”.

Także obecność składowej stałej prądu może wywołać nasycenie rdzenia i wynikający z tego dalszy wzrost odkształcenia prądu.

Zadziałanie wyłączników automatycznych.

Działanie wyłączników różnicowo prądowych polega na porównaniu łącznej ilości prądów fazowych i przewodu neutralnego. W normalnym stanie pracy różnica powinna być równa zero. Jednak, gdy przekracza pewne granice, wyłącznik odcina zasilanie. Wyłącznik taki może zadziałać, więc w obecności dodatkowych harmonicznych. Rys [3.2] przedstawia budowę wyłącznika różnicowo prądowego.

Rysunek 3.2 Schemat wyłącznika różnicowo prądowego.

Dodatkowo odkształcenie harmoniczne ma wpływ na zdolność łączeniową wyłączników w przypadku wyłączania małych prądów, nie prądów zwarciowych. Obecność wyższych harmonicznych może powodować większą „stromość” przechodzenia prądu przez zero, co czyni trudniejszym proces przerywania prądu.

Przeciążenie kondensatorów do kompensacji mocy biernej.

Jak wiadomo impedancja kondensatora maleje wraz ze wzrostem częstotliwości:

Impedancja indukcyjności rośnie natomiast wraz z częstotliwością :

Do korekcji współczynnika mocy, przy obciążeniach indukcyjnych jak silniki indukcyjne, stosuje się baterie kondensatorów. Na rysunku [3.3] pokazany jest obwód z kondensatorem który może przenosić całkiem duże harmoniczne prądu, co może prowadzić do uszkodzeń.

Duży problem może się też pojawić przy pewnych częstotliwościach harmonicznych, gdy kondensator i indukcyjność rozproszenia mogą wpadać w rezonans. Ich impedancje wtedy znoszą się nawzajem i mogą popłynąć duże prądy i pojawić się duże napięcia, co może doprowadzić do zniszczenia kondensatorów. [2]

Rysunek 3.3 Obwód zastępczy obciążenia nieliniowego z kondensatorem do korekcji współczynnika mocy

Zjawisko naskórkowości.

Zjawisko dotyczące przepływu prądu elektrycznego w przewodnikach, polegające na tym, że wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału, następuje coraz większe zbliżenie przepływającego strumienia elektronów do zewnętrznej powierzchni przewodnika. Im zaś częstotliwość niższa, tym prąd płynie głębiej. Konsekwencją efektu naskórkowości jest zmiana rezystancji przewodnika zależna od częstotliwości. Większa częstotliwość powoduje wyższą rezystancję, ponieważ maleje przekrój przewodnika wykorzystany do przesyłania prądu. [27]

Zjawisko to jest zwykle ignorowane, ponieważ ma niewielkie znaczenie dla częstotliwości podstawowej. Przy siódmej harmonicznej i następnych, to jest częstotliwościach powyżej 350 [Hz], naskórkowość zaczyna powodować dodatkowe straty i wydzielanie ciepła.

Silniki indukcyjne

W silnikach indukcyjnych odkształcone napięcie zasilające powoduje dodatkowe straty w postaci prądów wirowych (podobnie jak w transformatorach). Dodatkowe straty pojawiają się jeszcze w postaci dodatkowych pól harmonicznych w stojanie, z których każdy próbuje wprowadzić silnik w ruch o różnej prędkości i w różnych kierunkach. Powstają niechciane momenty, które oprócz większych strat powodują szybsze zużycie maszyny (łożyska). W środowisku gdzie występują znaczne harmoniczne napięcia silniki powinny być przemianowane z uwzględnieniem takich dodatkowych strat.

Przejście przez zero, przyrządy pomiarowe

Wiele urządzeń elektronicznych pracuje na zasadzie detekcji przejścia przez zero. Przykładowo dużą indukcyjność, w celu zminimalizowania zjawisk przejściowych, włącza się w momencie przejścia przez zero sinusoidy zasilającej. Harmoniczne powodują zakłócenie pracy tych urządzeń, ponieważ prędkość zmiany napięcia przy przejściu przez zero jest większa i trudniej ją ustalić. W rzeczywistości może istnieć nawet kilka punktów przejścia przez zero w jednym okresie.

Wielokrotne przejście przebiegu napięcia przez zero może też powodować błędy synchronizacji w urządzeniach przekształtnikowych. Może nastąpić na przykład nierówność w kątach wysterowania poszczególnych elementów półprzewodnikowych.

Dodatkowo harmoniczne mogą być źródłem błędów dla przyrządów pomiarowych, które mierzą wartość skuteczną przebiegu sinusoidalnego.

Typowe elektromagnetyczne mierniki energii z zasady swojego działania są małym silnikiem, którego wirnik stanowi poruszająca się tarcza. Składowa prądu odbiornika, płynącego przez uzwojenie przyrządu, współfazowa z napięciem zasilającym, wyważa moment obrotowy wprawiający tarczę licznika w ruch. Liczba obrotów jest miarą dostarczonej energii. Pojawienie się harmonicznych w napięciu i prądzie, powoduje wytworzenie dodatkowych momentów harmonicznych działających na tarczę. Momenty te mogą działać zgodnie lub przeciwnie do momentu podstawowego.

Zaburzenia wynikające z dodatkowych harmonicznych powodują zakłócenia pracy w dużej ilości urządzeń. Oprócz tego powodują także zakłócenia telekomunikacyjne.