Güç elektroniğine (bilgisayar, değişken hızlı sürücü, invertör ...) dayalı ekipmanların kurulumu, çoğu kullanıcı güç dağıtım şebekelerinde harmoniklerin varlığı ile karşı karşıya kalmaktadır. Bu makale, belirli arızaların nedenini ve bunların nasıl önleneceğini daha iyi anlamanıza yardımcı olacaktır.
Harmonikler genellikle kendilerini karakterize eden en önemli iki veri ile tanımlanır, bunlar:
- Genlik : harmonik gerilimin veya yoğunluğun değerini belirtir,
- Sıra: temel olarak adlandırılan frekansın değerini ifade eder (50 Hz). Bu nedenle, 3. sıradaki bir harmoniğin temelden 3 kat daha yüksek bir frekansı vardır, yani 3 x 50 Hz = 150 Hz.
Grafik, bir 3. mertebe harmonik, 5. mertebeden ve 7. mertebenin toplamını gösterir.
Harmonik aralığı olarak da adlandırılan harmoniğin sırası, harmonik fn frekansı ile bazik frekansı arasındaki orandır (50 Hz). n = fn / f1.
Her elektrik şebekesinde belirli bir ücretlendirme bulunur. Bir yükten geçen akım gerilim ile aynı şekilde olduğunda, bu yüke doğrusal denir; aksine, akımın şekli voltajın şekline uymadığında, yüke doğrusal olmayan denir (bkz. şekil 1 ve 2).
Sinyalin deformasyonuna neden olan, harmoniklerin varlığıdır.
Harmonikler nelerdir?
Harmonik akımlar, Fourier serisinde parçalanan periyodik elektrik akımının benzer bileşenleridir.Harmonikler, temel frekansın (50 veya 60 Hzen elektrik şebekesi) çok (2, 3, 4, 5, ... n) frekansına sahiptir. "N" sayısı harmonik bileşenlerin aralığını belirler. Aralığın frekansı "n" ye karşılık gelen ağın frekansı "n aralığı" nın harmoniğidir.
Örnek: 50 Hz'lik temel bir frekans için, 5. derecedeki harmonik 250 Hz'lik bir frekans gösterecektir.
Çift aralıktaki harmonikler (2,4, 6, 8 ...) genellikle endüstriyel ortamlarda çalışılmaz çünkü alternatif sinyalin simetrisi sayesinde iptal edilirler. Sadece sürekli bir bileşen varlığında dikkate alınırlar. Öte yandan, tek fazlı doğrusal olmayan yükler, tek aralıklı harmonik bileşenlerde (3, 5, 7, 9 ...) bir spektrometreye sahiptir, ikincisi 3 aşamalı bileşenlere sahip olmaları haricinde, üç fazlı üçgen bağlantılı yüklerde de olur. .
Aralığa ek olarak, harmonikler, genliklerine (esas olarak% cinsinden belirtilir) ve paritelerine (eşit veya tek) göre sınıflandırılır. Elektromanyetik uyumluluğa da önem veren harmonikler, EN 50160 standardında elektrik kaynağının kalitesi ile ilgili olarak ele alınan rahatsızlıkların bir parçasıdır.
Harmonik frekans spektrumu
Çalışmanın önemli bir unsuru sinyalin harmonik frekanslarının spektrumu ; mevcut harmonikleri, frekanstaki ve genlikteki sinyali listeleyen grafik gösterimidir. Burada, her zamanki yüklerin spektrumunu görebilirsiniz (Şekil 3).
Yukarıda belirtilen harmoniklere ek olarak, şebekelerde temel dalga üzerinde üst üste binmiş iki tip bileşen daha olduğu dikkate alınmalıdır. Temelin bir katı olmayan bir frekansla (örneğin: 175 Hz 50 Hz'nin bir katı değildir) karakterize edilen harmonikler arası ve ağdan daha düşük bir frekansa sahip olan kızılötesi harmonikler .
İlki, az miktarda olmasına rağmen, örneğin, elektrik enerjisi dağıtıcıları tarafından gönderilen uzaktan kumanda sinyallerini rahatsız edebilirken, ikincisi genellikle çevrim dönüştürücülerinden, ark ocaklarından veya Hız değiştiriciler.
Ağda mevcut harmonik ölçümü
Harmoniklerin ortaya çıkan sonuçları genellikle toplam harmonik bozulma ile açıklanır ( THD : Total Harmonics Distortion). THD'nin hesaplanması, bir şebekenin kirlilik seviyesini global olarak voltaj veya akım olarak nitelemeye izin verir (aşağıdaki tablo 1'e bakınız).
Normalde hesaplama yöntemleri kullanılır. IEC 61000-2-2 , THDF'yi harmonik bileşenlerin etkin değeri ile temelin genliği arasındaki oran (yüzde olarak belirtilir) olarak tanımlar:
DIN standardına göre tanımlanan THDR'ye gelince, gerçek efektif değere bağlı olarak harmonik bozulmayı temsil eder:
İki yöntemle elde edilen değerlerin, bozulmaların azalması durumunda eşdeğer olmasına rağmen, değerler önemli olduğunda büyük ölçüde farklılık gösterdiği dikkate alınmalıdır.
Harmoniklerin ağda ölçülen parametrelere etkisi
a) Güç faktörü üzerindeki etkisi
Elektrik alıcısının karakteristik özelliği , güç faktörü, akım ve gerilimin etkin değerlerinin ürünü (elektrikle görünen güç) tarafından bölünen elektrik ekipmanı tarafından tüketilen aktif güce eşittir. Her zaman 1 ile 0 arasındadır.
Fp = P / S
Akım ve voltaj, zamanın genel işlevleri ise, güç faktörü, akım ve voltaj arasındaki faz farkının kosinüsüne eşittir (cos φ).
Önemli harmonik akımların varlığında, çarpıtma gücünün varlığından dolayı bu artık gerçekleşmez. Aktif güç (P) ,
burada I1 , temel akımın etkin değeridir ve cosφ1, temel voltaj ile temel akım arasındaki faz farkınıtemsil eden yer değiştirme faktörüdür (DPF, Yer Değiştirme Gücü Faktörü) (bkz. şekil 5).
Bir yandan, görünen güç
burada Q, reaktif güçtür Q = U. I1. sinφ1 ve D deformasyon gücü D2 = U12.Ih2 olup, Ih, akımın 1'den büyük bir aralıkta harmonik kümesinin etkin değeridir.
Bu nedenle:
b) Kret faktörü üzerindeki etkisi
Zirve değer ile etkili değer arasındaki ilişki olarak, tepe faktörü sinüs dalga rejiminde 2'nin kareköküne eşittir. Harmoniklerin varlığında, çok daha yüksek değerlere ulaşabilir. Bu nedenle, daha yüksek bir tepe faktörü, diğer elemanların yanı sıra, daha hassas bir ölçüm cihazı ve dolayısıyla dönüşüm devresinde daha fazla hassasiyet gerektirir.
Örneğin, anahtarlamalı güç kaynağı bulunan bir bilgisayar için en yüksek faktör 2 ve 3 arasındaki değerlere ulaşabilir (bkz. ŞEKİL 6).
Harmoniklerin elektrik şebekeleri üzerindeki genel etkileri
Tüketiciler tarafından üretilen akım harmonikleri ağlarda yayılır ve hat empedanslarında voltaj dalgasının bozulmasını sağlar. Gerilimin bu deformasyonları , elektrik tedarikçisinin tüm şebekesinin kullanıcılarına yeniden dağıtılmaktadır. 3 aşamalı harmonik, üç fazlı ağlar söz konusu olduğunda özel bir ilgiyi hakediyor. Aslında, 3. seviye harmonik akımları ve bunların katları faz halindedir (bakınız şekil 7) ve nötr iletkende vektör formunda eklenir (In = I1 + I2 + I3). Eğer alıcılar esas olarak bilgisayar yükleri tarafından oluşturulmuşsa, nötr iletkende faz akımlarından% 130 daha yüksek nötr bir akım üreten 3. ve 3. katların akımları eklenir.
Şekil 7: Üç fazlı akımlarda, 3 aralığında harmonik akımlar fazdadır.
Bu nedenle nötr bölümün doğru bir şekilde boyutlandırılması önemlidir. Bununla birlikte, maliyetten tasarruf etmek için, fazlardan iki kat daha düşük bir bölümle nötr bir kablonun kurulduğu ortak bir uygulama nedeniyle , harmoniklerin sonuçlarına maruz kalan birçok kurulum vardır . Fransa'daki NF C15100 gibi kurulum standartlarında, nihai nötr akıma karşılık gelen, faz iletkenlerinin bölümünden daha büyük olabilecek bir bölüm şu anda belirtilmiştir.
Şekil 8: Şebeke analizörünün harmoniklerinin SOCOMEC CONTROL VISION yazılımında tablo veya grafik olarak görselleştirilmesi, aşağıdakiler için aralığa göre seçilen aralıkta: - 3 akım ve nötr (ağ tipine bağlı olarak) - basit ve bileşik gerilimler (ağın türüne bağlı olarak)
Koşul TN-C
TN-C modunda, nötr iletken ve koruma fonksiyonları, PEN adı verilen tek bir iletken tarafından sağlanır. Bu iletkende ve metalik takviyelerde dolaşan 3 derecenin harmonik akımları ve 3'ün katları önemliyse, hassas reseptörlerin elektroniklerini etkileyen potansiyel varyasyonları veya hatta indüklenmiş voltaj veya akımları üreten manyetik halkaların oluşumunu doğrulamak mümkündür. devrelerde (CEM / ECM kirliliği).
Harmoniklerin ekipman üzerindeki etkileri
Transformatörler hakkında:
Harmonik akımların sirkülasyonu joule etkisi ve tamamlayıcı manyetik kayıplar nedeniyle oluşan kayıpları ifade eder. NF EN 50464-3 standardına uygun olarak, aşağıdaki formüle göre transformatörün görünür gücünün sınıflandırılması uygulanır:
Dönen makinelerde:
Joule etkisi ve ek manyetik kayıplardan kaynaklanan kayıplara ek olarak , harmonik voltajların varlığı darbe çiftlerine ve ribaunt üzerinde zararlı mekanik titreşimlerin yanı sıra motorun mekanik performansında bir düşüşe neden olabilir.
Genel bir kural olarak, harmonik voltaj faktörü (HVF)% 2'den az olmalıdır. Bu faktör aşağıdaki formülle hesaplanır:
Kapasitör banklarında:
Kapasitör sıralarının bir elektrik tesisatına montajı, tesisatta mevcut harmonik akımları yükselten paralel bir rezonans anlamına gelebilir. Bu risk esas olarak tesisin kısa devre gücüne ve kompanzasyon sisteminin kapasitif değerine bağlıdır. Böyle bir durumda, güçlü harmonik akımlar kapasitörlerde dolaşabilir ve bileşenlerinin erken yaşlanmasına neden olabilir.
Ölçüm cihazlarında:
Harmonik akımlar ayrıca kesme ve koruma ekipmanı, kalıcı yalıtım kontrolörleri ve ölçüm cihazları ile ilişkili bağışık olmayan ekipmanın ölçümünü de bozabilir.
Şekil 9: Ağda harmonik üreten kurulum örneği
Harmonik kirlenmeyi kontrol etmek için çözümler
Harmoniklerin zararlı etkilerine karşı korunmak için korumalar var ; Önemli olan etkilerin miktarını ölçmek ve koruma önlemlerini, endüstriyel işlemin ve tesisatta mevcut alıcıların göreceli hassasiyetine göre uyarlamaktır. Bunun nedeni, her alıcının harmonik bozulmalara karşı farklı bir bağışıklık seviyesine sahip olmasıdır. Ek olarak, bazı alıcılar harmonik kirliliği bile yayabilir.
Tüm bu önlemler sayesinde, kurulumun doğru teşhisini koymak mümkündür . Oradan, her şey bir yöntem meselesidir. Aşağıdaki yaklaşımı öneririz:
- Söz konusu kurulumun teşhisi: Ölçümler kampanyası ve harmonik seviyesinin belirlenmesi.
Genellikle PMD (EN veya CEI 61557-12 standartlarına göre Performans ve Güç İzleme Cihazı) olarak adlandırılan mevcut ölçüm merkezleri, genellikle sadece rütbelere göre değil, aynı zamanda küresel olarak da (THD) harmonik bir analiz yapar. Dahili hafıza sayesinde, PMD minimum ve maksimum değerlere ek olarak alarmları saklayabilir. Son olarak, nötr akımını sürekli olarak ölçerler. - Fenomenin modellenmesi ve karakterizasyonu , daha sonra çözümler ve seçenekler önermek için teknik-ekonomik çalışma.
- Malzeme çözümlerinin uygulanması . Etkisinin uygun ölçümlerle doğrulanması.
- Enerji kalitesinin bakımı ve / veya kontrolü ve hatta enerji verimliliğinin kontrolü için bir sözleşme yoluyla tesisin performansının zaman içinde korunması.
Bazı yaygın çözümler
Menşe empedansı zayıf olduğunda , kısa devre gücü önemli hale gelir ve bu da harmoniklerden kaynaklanan problemleri azaltır. Bu şekilde, en yüksek seviyede kısa devre gücünden faydalanabilmek için yükleri çarpıtmak mümkün olduğu kadar kaynağın önüne da kurulmalıdır. Bu çözüm ekonomik açıdan her zaman ilginç değildir, harmonikleri bastırmak mümkün olmadığından amaç, tüm ağı kirletmekten kaçınmak için onları çarpıtma ücretlerine mümkün olduğunca yakın tutmaktır . Bunun için filtreleme veya yalıtım sistemleri (trafo ile) kullanılır.
Kompanzasyon bataryalarını korumak için üreticiler, harmoniklerin rezonans fenomeninin oluşumunu engelleyen kapasitörler ile seri olarak bir endüktans koyarlar. Bu rezonans karşıtı endüktans, tesisatta mevcut olan harmonik akım spektrumuna göre ayarlanır.
Pasif filtrelerin kullanılması, kurulumda mevcut harmonik akımları "yakalamayı" sağlar. Her pasif filtre harmonik bir akım için boyutlandırıldığından, filtrelenecek her harmonik akım için bir filtre sağlanması gerekir.
Güç elektroniğinin ilerlemesiyle birlikte artan performans ve güçlere sahip aktif filtreler , harmonikleri belirli bir aralığa kadar filtrelemeye izin verir. Tesisin reaktif enerjisinin telafi edilmesini sağlamak için bu filtrelerin hesaplandığı dikkate alınmalıdır.
Son olarak, sinüzoidal absorpsiyon kontrolü ( PFC , güç faktörü düzeltici olarak da bilinir) doğrudan jeneratör üzerinde çalışmasına izin verir. Güç elektroniğinin kontrolü, giriş köprüsünü sinüzoidal bir akımı emmeye zorlamak için değiştirildi.
Sonuç
Güç elektroniğinin son yıllarda gelişimi, endüstriyel süreçlerin iyileştirilmesinde önemli bir faktör olmuştur.
Bununla birlikte, bu ekipmanların çoğu, alıcıların gereksinimlerine uygun bir elektrik enerjisi kalitesi sağlamak için kontrol edilmesi gereken harmonik bozulmalara neden olur.
Çözümler var ve son yıllardaki çevresel kısıtlamalar, üreticileri harmonik akımların oluşumunu azaltmak için kontrolleri entegre etmeye zorluyor. Harmoniklerin bir güç ölçer yardımıyla kalıcı olarak ölçülmesi ve bazı temel kurallara uyulması bakım ekiplerinin elektrik tesisatının etkin ve güvenli bir şekilde izlenmesini sağlar.