L'impatto delle armoniche sui sistemi elettrici
Comprendere gli effetti delle armoniche sui sistemi elettrici è molto utile per mantenere le cose in modo fluido e sicuro.Le armoniche sono cambiamenti nell'onda elettrica che possono causare vari problemi come troppi calore, rottura delle apparecchiature e minore efficienza.Questo articolo spiega i diversi tipi di armoniche, ciò che li causa e i problemi che possono creare nei sistemi di alimentazione utilizzati nelle industrie e nelle imprese.Esamineremo anche modi per risolvere questi problemi, come l'uso di filtri speciali, i trasformatori progettati per gestire armoniche e controlli regolari di qualità dell'alimentazione.Il nostro obiettivo è fornire una guida chiara e semplice alla gestione delle armoniche nei sistemi elettrici in modo efficace.Catalogare
Figura 1: armoniche
Comprensione delle armoniche nell'ingegneria dell'alimentazione
Le armoniche sono correnti o tensioni a frequenze più alte che sono multipli della frequenza di base.Possono causare problemi come forme d'onda distorte, riscaldamento extra e minore efficienza nelle apparecchiature elettriche.Le armoniche strane, che si verificano in mostri dispari della frequenza di base, aumentano la distorsione e il riscaldamento.Anche le armoniche, che si verificano anche in multipli della frequenza di base, possono causare il surriscaldamento dei trasformatori.Le armoniche di Triplen, che sono un tipo specifico di armoniche strane, possono sovraccaricare i fili neutri e anche causare il surriscaldamento dei trasformatori.
Le armoniche possono essere divise in tre tipi: sequenze positive, negative e zero.Le armoniche di sequenza positiva aggiungono un ulteriore calore al sistema.Le armoniche di sequenza negativa riducono la potenza dei motori e aumentano il calore.Le armoniche a sequenza zero causano il riscaldamento nei fili neutri.La distorsione armonica totale (THD) è una misura degli effetti delle armoniche, con valori più elevati che mostrano più distorsioni.
In contesti industriali, dispositivi come le unità di frequenza variabile creano molta distorsione.Per ridurre questi problemi, possiamo utilizzare filtri e trasformatori speciali progettati per gestire alti livelli di armoniche.Controllare regolarmente la qualità del potere aiuta a trovare e risolvere i problemi armonici e garantisce la conformità agli standard IEEE 519.Gli strumenti avanzati possono misurare fino alla 511a armonica per aiutare a gestire questi problemi in modo efficace.
Tipi di armoniche
Strane armoniche
Figura 2: armoniche dispari
Le armoniche strane sono armoniche che sono dispari multipli della frequenza principale, come la 3a, 5a e 7a armonica.Queste armoniche possono causare grandi problemi nei sistemi di alimentazione perché possono danneggiare le apparecchiature elettriche e farli funzionare male.Quando sono presenti armoniche strane, aumentano le perdite di resistenza e le perdite di corrente vorticosa nei trasformatori.Le perdite di resistenza, chiamate anche perdite I²R, si verificano perché le correnti armoniche fanno riscaldare di più i conduttori.Questo riscaldamento extra è dovuto alla potenza persa come calore a causa della resistenza nei conduttori.Le perdite di corrente di parassita si verificano quando le correnti indotte fluiscono all'interno del nucleo del trasformatore, generando anche calore.La presenza di armoniche peggiora questi effetti perché il core del trasformatore affronta campi magnetici a frequenza più elevata, che creano più correnti parassite e più calore.
Alti livelli di armoniche strane possono influenzare notevolmente il funzionamento di un trasformatore.Per ridurre il rischio di surriscaldamento e possibile fallimento, i trasformatori devono spesso essere derastati quando ci sono alti livelli di armonica.Derante un trasformatore significa usarlo a una capacità inferiore rispetto alla sua capacità nominale di ridurre il riscaldamento causato dalle armoniche.Questo fa funzionare il trasformatore in sicurezza e lo fa durare più a lungo.La decadenza implica capire quanto contenuto armonico esiste e calcola le perdite extra causate da queste armoniche.Una volta note queste perdite, la capacità di carico del trasformatore viene regolata per evitare il surriscaldamento e assicurarsi che funzioni in modo affidabile.
In termini semplici, deraricare un trasformatore a causa di strane armoniche comporta un'attenta occhiata al contenuto armonico del carico.Gli ingegneri utilizzano misuratori di qualità di potenza per misurare il contenuto armonico e vedere come influisce sul trasformatore.I dati di queste misurazioni vengono quindi utilizzati per capire quanto per ridurre il carico del trasformatore per mantenerlo funzionante in sicurezza.
Anche armoniche
Figura 3: anche armoniche
Anche le armoniche sono frequenze che sono persino multipli della frequenza principale, come la 2a (120 Hz), il 4 ° (240 Hz) e la 6a (360 Hz) armonica quando la frequenza principale è di 60 Hz.Nei sistemi di potenza, anche le armoniche sono generalmente piccole perché la maggior parte dei carichi non lineari producono principalmente armoniche strane.Tuttavia, la presenza di armoniche uniforme può mostrare problemi specifici all'interno del sistema elettrico.
Anche le armoniche indicano spesso un offset DC nel sistema.Un offset DC si verifica quando esiste un componente a corrente continua (DC) miscelata con la forma d'onda di corrente alternata (AC).Ciò può essere causato dalla rettifica a mezza onda, che si verifica a causa di un raddrizzatore rotto.Un raddrizzatore è un dispositivo che cambia AC in DC e quando si rompe, può produrre una forma d'onda incompleta, portando a un offset DC.L'offset DC introdotto anche da armoniche può causare diversi problemi nei sistemi elettrici.Un effetto importante è la saturazione del trasformatore.Quando un trasformatore sperimenta un offset DC, il suo nucleo può diventare magneticamente saturo durante i semi-cicli alternati della forma d'onda AC.Questa saturazione porta a un pareggio eccessivo della corrente, causando il surriscaldamento del trasformatore e possibilmente bruciare l'avvolgimento primario.Inoltre, un offset CC può causare vibrazioni meccaniche e rumore nei trasformatori.La saturazione magnetica del nucleo provoca forti vibrazioni, che possono essere sia rumorose che fisicamente dannose per la struttura del trasformatore.Anche un piccolo offset CC, oltre l'1% della corrente nominale, può causare questi gravi problemi.
Anche le armoniche possono anche essere utilizzate come strumento diagnostico.La loro presenza in un sistema elettrico può aiutare a identificare i problemi relativi a rettificatori o altri componenti che possono introdurre un componente DC nel sistema.Monitorando e analizzando anche le armoniche, gli ingegneri possono rilevare e risolvere i problemi in anticipo, prevenendo potenziali guasti e garantendo il funzionamento affidabile del sistema di distribuzione dell'alimentazione.
Armoniche triple
Figura 4: Armoniche Triplen
Le armoniche di Triplen sono un tipo speciale di multipli dispari della terza armonica.Questi si verificano al 3 °, 9 °, 15 ° e così via.Sono prodotti in modo univoco da dispositivi monofase e possono causare problemi significativi nei sistemi elettrici.
Un grosso problema causato da armoniche di Triplen è il sovraccarico di fili neutri.In un sistema trifase bilanciato, le correnti nel filo neutro dovrebbero annullarsi a vicenda.Tuttavia, le armoniche di Triplen da dispositivi monofase non si annullano nel filo neutro.Invece, si sommano, causando correnti eccessive.Ciò può portare a surriscaldamento e potenziali danni al filo neutro.
Le armoniche di Triplen possono anche interferire con le linee telefoniche.Le parti ad alta frequenza di queste armoniche possono creare rumore nelle linee di comunicazione che corrono parallele ai cavi di alimentazione.Questo rumore può ridurre la qualità dei segnali telefonici e interrompere i sistemi di comunicazione.
Un altro grosso problema con Triplen Harmonics è il surriscaldamento del trasformatore.I trasformatori sono costruiti per gestire specifici livelli di corrente e tensione.Le armoniche di Triplen aumentano la corrente RMS (Media radicale) negli avvolgimenti del trasformatore, causando un ulteriore riscaldamento.Se il trasformatore non è progettato per gestire questo calore extra, può portare a rottura dell'isolamento e eventuali guasti.
Per ridurre gli effetti delle armoniche di Triplen, è possibile utilizzare i trasformatori speciali chiamati trasformatori con classificazione K.Questi trasformatori sono progettati per gestire correnti armoniche più elevate senza surriscaldamento.Hanno migliori sistemi di raffreddamento e sono realizzati con materiali che possono resistere al calore extra causato dalle armoniche.
Sequenza armonica
Una sequenza armonica descrive come le diverse frequenze delle onde elettriche interagiscono con l'onda principale, che ci aiuta a comprendere il loro impatto sui sistemi di alimentazione.Esistono tre tipi principali di sequenze armoniche: positivo, negativo e zero.
Armoniche di sequenza positiva
Le armoniche di sequenza positiva includono frequenze come la 1a, la 4a e la 7a armonica.Queste armoniche si muovono nella stessa direzione dell'onda principale.Aumentano la corrente nel sistema e generano un calore extra nei componenti.Questo calore aggiunto può danneggiare l'isolamento, ridurre l'efficienza del sistema e causare la rompersi prima del previsto.Nei motori, queste armoniche interrompono il campo magnetico, il che rende il motore in modo meno efficiente e riduce la durata della vita.Per gestire questi problemi, è utile utilizzare filtri o altri dispositivi per monitorare e ridurre le armoniche di sequenza positiva.
Armoniche di sequenza negativa
Le armoniche di sequenza negativa includono frequenze come la 2a, 5a e 8a armonica.Queste armoniche si muovono nella direzione opposta all'onda principale.Riducono la potenza dei motori e creano un calore extra, che può danneggiare l'isolamento, causare vibrazioni meccaniche e ridurre la durata della vita dei motori e di altri componenti.I trasformatori possono anche provare maggiori perdite e surriscaldamento a causa di queste armoniche.Il monitoraggio e l'installazione dei filtri giusti possono aiutare a gestire le armoniche di sequenza negativa e i loro effetti avversi.
Armoniche a sequenza zero
Le armoniche a sequenza zero includono frequenze come la terza, la sesta e la nona armonica.Queste armoniche non creano un campo magnetico rotante ma si accumulano nel filo neutro, causando il surriscaldamento e danneggiati.Ciò è particolarmente problematico nei sistemi con carichi non lineari.L'uso di trasformatori speciali e filtri armonici può aiutare a gestire il calore extra e ridurre il contenuto armonico nel sistema, prevenendo il surriscaldamento e danni al filo neutro.
Cause di armoniche elettriche
In contesti industriali, alcuni tipi di apparecchiature elettriche spesso causano distorsioni armoniche.Questo problema è comune con dispositivi come unità a frequenza variabile (VFD) e inverter.Questi dispositivi cambiano la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC) e quindi creano un'uscita AC a frequenza variabile per controllare accuratamente le velocità del motore in varie applicazioni.
Durante questa conversione, questi dispositivi attirano la corrente in modo non lineare e irregolare, anziché il modo liscio e ondulato di carichi regolari.Questa corrente irregolare aggiunge componenti armonici al sistema elettrico, causando distorsione di tensione.Il motivo principale di questo disegno di corrente irregolare sono le parti elettroniche interne, come i raddrizzatori e i circuiti di commutazione, che disegnano la corrente solo in determinati momenti durante il ciclo AC.Ad esempio, un VFD che controlla un motore industriale cambia prima l'AC in arrivo in DC e quindi utilizza un inverter per creare un'uscita CA a frequenza variabile per regolare la velocità del motore.La fase di rettifica prevede la commutazione di parti che attirano la corrente in esplosioni, piuttosto che continuamente.Questa esplosione di corrente distorce la forma d'onda, creando armoniche.
Queste armoniche possono causare diversi problemi in un sistema di energia industriale.Possono aumentare il riscaldamento nei trasformatori e in altre parti elettriche, riducendo la loro efficienza e durata della vita.La distorsione armonica può anche causare malfunzionamento di apparecchiature elettroniche sensibili, aumentare le perdite di energia e potenzialmente interferire con i sistemi di comunicazione.
Per ridurre questi effetti, i produttori di attrezzature progettano i loro prodotti per soddisfare gli standard di compatibilità elettromagnetica (EMC).Questi standard limitano la quantità di distorsione armonica che i loro dispositivi possono introdurre nel sistema di alimentazione.Gli standard EMC assicurano che i singoli dispositivi non causino una distorsione eccessiva che potrebbe influire sull'intero sistema di alimentazione.Tuttavia, anche con le apparecchiature conformi all'EMC, l'effetto combinato di molti dispositivi in esecuzione contemporaneamente può ancora causare una significativa distorsione armonica.Ciò rende indispensabile monitorare e gestire attivamente le armoniche in contesti industriali.
Problemi soggetti a verificarsi a livelli armonici più elevati
Problemi in motori e generatori
Le armoniche possono causare grandi problemi in motori e generatori.Il calore extra creato dalle correnti armoniche può abbattere l'isolamento e mettere stress sulle parti della macchina.Questo può far fallire queste macchine prima, avere una vita più breve e richiedere ulteriori riparazioni.Le vibrazioni armoniche possono anche causare usura sulle macchine, peggiorando il problema.
Bassa efficienza
Le armoniche peggiorano le perdite resistive (perdite I²R) nei fili e nei trasformatori.Queste perdite creano un calore extra, il che rende il sistema di alimentazione meno efficiente.Il calore extra può accelerare l'invecchiamento dei materiali isolanti, portando a guasti più frequenti e un maggiore consumo di energia.
Viaggi di interruttore a circuito non pianificato e fusibili soffiati
Alti livelli armonici possono far scattare gli interruttori e i fusibili non soffiano senza una buona ragione.Ciò accade perché le armoniche possono causare troppe interferenze di calore e magnetiche in questi dispositivi di sicurezza, facendoli funzionare in modo errato.Questo inciampo indesiderato può interrompere le operazioni, causare tempi di inattività non pianificati e richiedere maggiore manutenzione.
Problemi con apparecchiature elettroniche
I dispositivi elettronici sono molto sensibili alla distorsione armonica.Le armoniche possono causare problemi in dispositivi come computer, apparecchiature di comunicazione e altre elettronica sensibili.L'interferenza da frequenze armoniche può incasinare i dati, causare errori di comunicazione e ridurre le prestazioni, richiedendo filtraggio e protezione extra.
Risonanze inaspettate
Le frequenze armoniche possono mescolare con le frequenze naturali del sistema di alimentazione, causando risonanze.Queste risonanze possono rendere più forti correnti e tensioni armoniche, portando a sovratensioni, surriscaldamento e possibili danni alle attrezzature.Trovare e fissare le condizioni di risonanza aiuta a prevenire gravi guasti nei sistemi di alimentazione.
Soluzioni per mitigare le armoniche
Installazione di filtri
I filtri sono una soluzione pratica ed economica per ridurre le armoniche nei sistemi di distribuzione dell'energia.I filtri armonici sono progettati per bloccare o ridurre le frequenze armoniche specifiche, consentendo di passare solo la frequenza di base.Questo processo aiuta a pulire la forma d'onda elettrica e mitigare gli effetti avversi delle armoniche.
Per implementare i filtri in modo efficace, è indispensabile condurre sondaggi armonici.Questi sondaggi prevedono l'uso di analizzatori di qualità di potenza per misurare i livelli e i tipi di armoniche presenti nel sistema.Identificando le frequenze armoniche specifiche e le loro fonti, gli ingegneri possono progettare e installare filtri su misura per soddisfare le esigenze particolari del sistema.Esistono diversi tipi di filtri disponibili, come filtri passivi, attivi e ibridi, ciascuno con le sue applicazioni e benefici specifici.I filtri passivi sono costituiti da induttori, condensatori e resistori.Sono sintonizzati per filtrare frequenze armoniche specifiche.I filtri passivi sono economici e semplici da implementare ma possono essere ingombranti e meno flessibili nei sistemi dinamici.I filtri attivi utilizzano l'elettronica di potenza per contrastare dinamicamente la distorsione armonica.Sono più versatili e possono adattarsi al cambiamento dei profili armonici in tempo reale.I filtri attivi sono più costosi ma forniscono prestazioni superiori in condizioni di carico variabili.I filtri ibridi combinano componenti di filtro passivi e attivi per ottimizzare le prestazioni e i costi.Offrono un approccio equilibrato, fornendo un'efficace mitigazione armonica con investimenti moderati.
Utilizzando trasformatori a k-factor elevati
Figura 5: trasformatore ad alto fattore k e forma d'onda di corrente
I trasformatori di fattori K elevati sono realizzati per gestire il calore extra causato da correnti armoniche.Il "fattore K" è una valutazione che mostra quanto bene un trasformatore possa affrontare queste correnti senza essere troppo caldo.Questi trasformatori hanno migliori sistemi di isolamento e raffreddamento per gestire il calore extra dalle armoniche.Possono sbarazzarsi del calore extra, prevenire danni e allungare la vita del trasformatore.Gestione di livelli armonici più elevati, questi trasformatori riducono il rischio di surriscaldamento e fallimento, rendendo il sistema di distribuzione dell'energia più affidabile.
L'uso di trasformatori di fattori K elevati richiede un'attenta pianificazione.Costano di più e sono più difficili da installare rispetto ai normali trasformatori.Il processo inizia con un controllo dettagliato per capire la valutazione del fattore K necessaria per l'uso specifico.Questo controllo prevede la ricerca del contenuto armonico del carico e la comprensione di come influisce sul trasformatore.Gli ingegneri usano strumenti per misurare i livelli armonici e calcolare il calore extra causato da queste armoniche.
Una volta determinato la valutazione del fattore K giusto, il passo successivo è bilanciare le prestazioni a lungo termine rispetto ai costi iniziali.I trasformatori di fattori K elevati riducono le esigenze di manutenzione e migliorano l'affidabilità, il che può compensare i costi di acquisto e installazione più elevati nel tempo.Tuttavia, l'installazione di questi trasformatori è complessa, quindi è necessaria un'attenta pianificazione per ridurre al minimo l'interruzione.Ciò include la pianificazione di possibili tempi di inattività per la sostituzione o l'installazione del trasformatore e la considerazione di tutti gli impatti sulle operazioni.
Sondaggi regolari di qualità dell'energia
Sono necessari controlli regolari di qualità di potenza per mantenere i sistemi elettrici sani e funzionare bene.Questi controlli prevedono sistematicamente la misurazione delle proprietà elettriche per trovare e risolvere i potenziali problemi in anticipo.Monitorando costantemente la qualità dell'energia, garantiamo che le apparecchiature elettriche funzionino bene, durino più a lungo ed siano più affidabili.Le misurazioni devono essere prese in punti chiave del sistema, come in cui la potenza entra e nei pannelli di distribuzione.La raccolta regolare dei dati aiuta a individuare modelli che potrebbero mostrare problemi di sviluppo, come un aumento dei livelli di rumore elettrico o variazioni di tensione.I misuratori di qualità di potenza, che misurano la tensione, la corrente, il rumore elettrico e le improvvise variazioni, sono gli strumenti principali utilizzati in questi controlli.I contatori avanzati registrano i dati nel tempo, dando un quadro completo delle tendenze della qualità dell'alimentazione.Guardare questi dati aiuta a trovare differenze dalle condizioni normali, consentendo correzioni tempestive e riducendo il rischio di abbattere le attrezzature.
Conformità agli standard IEEE 519
Gli standard IEEE 519 fissano regole per livelli accettabili di tensione e distorsione di corrente nei sistemi elettrici.Queste regole aiutano a prevenire danni alle attrezzature e garantire l'affidabilità del sistema.
La tabella seguente mostra gli standard IEEE 519-2014 per la distorsione armonica totale (THD) in tensione e corrente per diversi livelli di tensione:
Figura 6: tabella che mostra i limiti di distorsione armonica totale (THD) per la tensione e la corrente a diversi livelli di tensione
Gli analizzatori della qualità del potere sono strumenti che aiutano a misurare le armoniche fino alla 511a armonica.Questi analizzatori forniscono dati dettagliati che consentono un monitoraggio preciso e una gestione della qualità dell'alimentazione.Aiutano a identificare le frequenze armoniche specifiche e le loro dimensioni, consentendo soluzioni mirate.
Il monitoraggio regolare della qualità dell'energia garantisce che i livelli armonici rimangono entro limiti accettabili e aiutano a rilevare i potenziali problemi in anticipo.La gestione delle armoniche comporta efficacemente la ricerca e la fissazione di fonti di distorsione, come l'installazione di filtri armonici e il potenziamento dei trasformatori.
Conclusione
Le armoniche nei sistemi elettrici possono causare molti problemi, come il surriscaldamento, i guasti delle apparecchiature e le inefficienze.Comprendendo i diversi tipi di armoniche - pari, pari e triple - e come influenzano le parti elettriche, gli ingegneri possono prevedere e risolvere meglio questi problemi.L'uso di soluzioni come filtri armonici, trasformatori speciali che gestiscono calore extra e controlli regolari di qualità dell'alimentazione aiuta a mantenere i sistemi affidabili ed efficienti.Seguire gli standard IEEE 519 assicura che i livelli armonici rimangano entro limiti sicuri, proteggendo sia le attrezzature che le operazioni.La gestione delle armoniche non solo rende i sistemi elettrici durare più a lungo, ma migliora anche le prestazioni e riduce i costi di manutenzione, rendendolo una parte fondamentale della moderna ingegneria elettrica.
Domande frequenti [FAQ]
1. Quali sono i pericoli delle armoniche?
I pericoli delle armoniche comprendono il surriscaldamento di apparecchiature elettriche, il fallimento prematuro dell'isolamento, l'aumento delle perdite, il malfunzionamento dell'elettronica sensibile, l'interruzione fastidiosa degli interruttori e le potenziali condizioni di risonanza che possono causare gravi danni ai componenti.
2. Quali sono gli effetti delle armoniche sulla qualità del potere e sulle perdite nei sistemi di distribuzione dell'energia?
Le armoniche degradano la qualità della potenza distorcendo la tensione e le forme d'onda di corrente, portando ad un aumento delle perdite in trasformatori e conduttori, una ridotta efficienza, il surriscaldamento e l'interferenza con apparecchiature sensibili, che possono comportare guasti operativi e aumento dei costi di manutenzione.
3. Qual è una delle principali cause di armoniche in un sistema elettrico?
Una delle principali cause di armoniche in un sistema elettrico è la presenza di carichi non lineari come unità a frequenza variabile, inverter, raddrizzatori e altri dispositivi elettronici che attirano la corrente in modo non-sinusoidale, introducendo correnti armoniche nel sistema.
4. Qual è l'effetto delle armoniche sul fattore di potenza di un sistema di distribuzione?
Le armoniche influiscono negativamente sul fattore di potenza di un sistema di distribuzione aumentando la potenza apparente, causando il disegno più corrente per la stessa quantità di potenza reale.Ciò si traduce in una minore efficienza e costi operativi più elevati a causa dell'aumento delle perdite e della ridotta capacità dei componenti del sistema.
5. Quali sono le armoniche in un sistema di distribuzione elettrica?
Le armoniche in un sistema di distribuzione di energia elettrica sono correnti o tensioni a frequenze che sono multipli interi della frequenza di base (60 Hz negli Stati Uniti).Producono da carichi non lineari e causano distorsioni nella forma d'onda, portando a vari problemi operativi ed efficienti all'interno del sistema.