Разумевање тоталне хармоничне дисторзије (ТХД) у енергетским системима

Judaics and Christians into Babylon (Јули 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Разумевање тоталне хармоничне дисторзије (ТХД) у енергетским системима


Укупна хармонична дисторзија (ТХД) је важан аспект у електроенергетским системима и требало би га задржати што је могуће мањи. Нижи ТХД у електроенергетским системима значи већи фактор снаге, ниже вршне струје и већу ефикасност. Низак ТХД је таква важна карактеристика у енергетским системима да међународни стандарди као што је ИЕЦ 61000-3-2 поставља ограничења на хармоничне струје различитих класа енергетске опреме.

Упознавање са анализом кола АЦ углавном се фокусира на фактор снаге као што је одређено фазним односом између напона и струје у кругу, док генерално игнорира ефекат ТХД на фактор снаге. Конкретно:

$$ ПоверФацтор = цос (\ тхета_в - \ тхета_и) $$ екн. 1

Где $$ \ тхета_в $$ је фаза напона, а $$ \ тхета_и $$ је фаза струје.

Ово није потпуна дефиниција фактора снаге и ова једначина, која се назива фактор помјерања, једино је тачно ако су и напон и струја потпуно синусоидни. Аспект фактора помицања фактора снаге је добро покривен овде и овде.

Да бисмо били поштени, већина људи нових у АЦ круговима упознаје се са одговарајућом дефиницијом фактора снаге, али након овог увода они се обично фокусирају само на фактор помјерања, а не на ефекат ТХД-а. Потпуна дефиниција фактора снаге је:

$$ ПоверФацтор = \ фрац {П_ {авг}} {(В_ {рмс}) (И_ {рмс})} $$ екн. 2

Фактор снаге се примјењује на круга са општим обликом на слици 1 гдје постоји извори напона наизменичне струје који обезбеђују АЦ струју за неку врсту оптерећења. То је природа оптерећења која одређује природу струје, а тиме и фактор снаге.

Слика 1. Извор напона АЦ са оптерећењем

Фактор снаге без ТХД-а

Ако су напон и струја чисто синусоидни, онда се РМС напон и струја могу одредити директно из максималног напона и струје:

$$ В_ {рмс} = \ фрац {В_ {пк}} {\ скрт {2}} $$ и $$ И_ {рмс} = \ фрац {И_ {пк}} {\ скрт {2}} $$

Ако је оптерећење чисто отпорно, онда би просјечна снага и очитна снага била једнака, а фактор снаге био 1. Ако оптерећење такође има капацитивне и / или индуктивне елементе, тада се може мерити разлика у фази између напона и струје како би се утврдило фактор снаге из једначине 1. Слике 2 до 4 приказују три врсте оптерећења заједно са односом између фаза напона и струје, као и релативних фактора снаге. Запамтите, ови фактори снаге могу се израчунати директно из једначине 1, јер су напон и струја чисто синусоидни.

Слика 2. Отпорност на оптерећење са таласима (фактор снаге = 1. Напон и струја су у фази)

Слика 3. Отпорно и индуктивно оптерећење са таласима (фактор снаге <1 и струјни води струја)

Слика 4. Отпорно и капацитивно оптерећење са таласима (фактор снаге <1 и напон струје воде)

Побољшање фактора снаге у системима попут оних на сликама 3 и 4 захтева постављање компоненте са супротном количином реактансе у систем како би се супротставила реактансу већ у систему. Ова врста компензације је овде објашњена.

ТХД у фактору снаге

Већина електричних система немају оптерећења само са отпорницима, индукторима и кондензаторима. Већина оптерећења такође укључује претварање енергије неке врсте (као што су АЦ / ДЦ, ДЦ / АЦ или ДЦ / ДЦ претварачи) или нека друга врста нелинеарног оптерећења (нпр. Флуоресцентно осветљење). Ови претварачи енергије и друга нелинеарна оптерећења мењају природу струје тако да више није синусоидна. Пребацивање напајања, у којем елемент снази брзо прелази између потпуног и потпуног стања, може бити посебно нелинеаран. Трики као што су филтрирање или додавање управљачких система за присиљавање токовног тока који прате референтни сигнал се често користе за смањивање ефекта прекидања. Чак и "линеарни" АЦ / ДЦ претварачи значајно мењају природу струје тако да више није синусоидан. Струја у овим типовима претварача је "бурсти", и овај чланак описује зашто је то случај.

Пошто је струја у овим нелинеарним системима и даље периодична (само не синусоидна), ова промена у природи струје може се описати у смислу хармоничног изобличења струје. Сваки од хармоника у струји има РМС вредност, тако да израчунавање РМС струје читавог сигнала (као што бисте требали урадити приликом израчунавања фактора снаге) укључује сакупљање РМС вриједности сваке хармонике.

$$ И_ {рмс} = \ скрт {И_ {дц} ^ {2} + \ сум_ {к = 1} ^ {\ инфти} И_ {к \ _рмс} ^ {2}} $$ екн. 3

Ако претпоставите да имате добар извор напона који обезбеђује синусоидни напон, онда нема напона на фреквенцијама, осим основних, тако да ће стварна снага бити обезбеђена само на основној фреквенцији:

$$ П_ {авг} = В_ {1 \ _рмс} \ тимес И_ {1 \ _рмс} \ тимес (ДисплацементФацтор) $$ екн. 4

С друге стране, очитна снага која је једнака $$ В_ {рмс} И_ {рмс} $$ ће укључити све тренутне хармонике, тако да ће израз у именику Једначине 2 бити већи од оног што бисте очекивали ако користе само струју на основној фреквенцији. Узимајући екн. 3 и 4 и укључивање у једначину. 2 даје:

$$ ПоверФацтор = \ фрац {В_ {1 \ _рмс} \ тимес И_ {1 \ _рмс} \ тимес (ДисплацементФацтор)} {В_ {1 \ _рмс} \ тимес \ скрт {И_ {дц} ^ {2} + \ {к = 1} ^ {\ инфти} И_ {к \ _рмс} ^ {2}}} $$

$ {$} = \ фрац {И_ {1 \ _рмс}} {\ скрт {И_ {дц} ^ {2} + \ сум_ {к = 1} ^ {\ инфти} И_ {к \ _рмс} ^ {2}}} \ тимес ДисплацементФацтор $$ екн. 5

Фактор изобличења и ТХД

Као што је раније речено, фактор помјерања је због фазне разлике између напона и струје $$ (цос (\ тхета_в - \ тхета_и)) $$. Други термин приказан у једначини. 5 се назива фактор изобличења и због хармоничног изобличења струје.

$$ ДистортионФацтор = \ фрац {И_ {1 \ _рмс}} {\ скрт {И} {дц} ^ {2} + \ сум_ {к = 1} ^ {\ инфти} И_ {к \ _рмс} ^ {2}} } = \ фрац {И_ {1 \ _рмс}} {И_ {рмс}} $$

Очигледно, фактор изобличења је услед хармоничног изобличења струје, али морамо размотрити како је фактор изобличења повезан са мерењем ТХД, гдје

$$ ТХД = \ фрац {\ скрт {\ сум_ {к \ нот \ екуив1} И_ {к \ _рмс} ^ {2}}} {И_ {1 \ _рмс}} $$

Уз мало аритметике, фактор изобличења се може одредити у смислу ТХД:

$$ ДистортионФацтор = \ скрт {\ фрац {1} {1 + ТХД ^ {2}}} $$

па фактор снаге може се израчунати у смислу фактора помјерања и ТХД:

$$ ПоверФацтор = ДисплацементФацтор \ тимес ДистортионФацтор $$

$$ ПоверФацтор = цос (\ тхета_в - \ тхета_и) \ тимес \ скрт {\ фрац {1} {1 + ТХД ^ {2}}}

ТХД и фактор снаге у примарним електроенергетским системима

Хајде да погледамо два примера система; оба имају хармонике у струји, али један од система покушава да минимизира ефекат хармоника на ТХД. Ово је претходно испитано, али у наставку испита посебно се посматрају ефекти хармоника на фактор снаге.

Пример 1: Претварач АЦ / ДЦ

Овај први пример је једноставан АЦ / ДЦ конвертер као што је приказано на слици 5:

Слика 5. Једноставан АЦ / ДЦ конвертер

Ово коло производи напонски и струјни таласни облици који се појављују на слици 6 (за објашњење зашто изгледају овако, погледајте овај чланак).

Слика 6. Напонски и струјни таласни облици за линеарно напајање

Због очигледног изобличења у струји, очекивали бисте да је садашњи садржај хармоније висок и то се може видети на ФФТ струји на слици 7:

Слика 7. Хармоника струје која улази у линеарно напајање

Јасно је да постоји много изобличења у струји. Замислите велики систем снаге са стотинама или хиљадама АЦ / ДЦ конвертора повезаних и допринос хармоничном дисторзији свих тих претварача.

Хајде да квантификујемо квалитет енергије и извршимо мјерења и израчунавање за одређивање фактора снаге.

Да би се утврдио фактор снаге, потребна су два одвојена мерења. Прва је ТХД струје на слици 6, а мјерена је као 2.8 (да, то значи 280%). Други је фазни помак између основног струје и напона и износи око 10 степени. То значи да је фактор снаге

$$ ПоверФацтор = цос (10 ^ {\ цирц}) \ тимес \ скрт {\ фрац {1} {1+ (2.8) ^ 2}} = (0.985) (0.336) = 0.331 $

што је фактор веома ниске снаге, а највећи допринос овом фактору ниске снаге је хармонично изобличење струје.

Пример 2: АЦ / ДЦ конвертор са корекцијом снаге фактора снаге

Други пример има колу као што је овде расправљано и приказано је на слици 8 која покушава да тренутну нумеру направи напон колико је могуће. Сврха овог праћења је побољшање фактора снаге, иако ова корекција фактора снаге сигурно није савршена, то је велико побољшање у првом примеру.

Слика 8. Повећајте струјни круг корекционог фактора снаге

Ово коло производи напон (в ац ) и тренутне (и ац ) таласне облике који изгледају овако:

Слика 9. Напон и струја у ПФЦ круг

Струја је очигледно искривљена, али не много; корекција фактора снаге значајно смањује изобличење. Ова следећа слика, Слика 10, даје индикацију колико су тренутни хармоници смањени у поређењу са хармоником на слици 7.

Слика 10. Хармоника струје у ПФЦ круг

Тренутни хармоници су ниски, а разлика у фази између напона и струје (око 3º) је таква. Комбинација две компоненте, струјних хармоника (измерених ТХД) и фазне разлике између напона и струје према једначини 5, даје нам фактор снаге. ТХД измерен у тренутном сигналу приказаном на слици 9 је 0, 2 (или 20%), а фазни помак је 3º, што резултира фактором снаге

$$ ПоверФацтор = цос (3 ^ {\ цирц}) \ тимес \ скрт {\ фрац {1} {1+ (0.2) ^ 2}} = (0.999) (0.98) = 0.979 $$

Ово је фактор велике снаге, али ако је у овом прорачуну коришћен (погрешно) фактор помјерања, фактор снаге би био одређен на 0, 999.

Финалне ријечи

Потпуна дефиниција фактора снаге мора укључивати фазни однос између напона и струје (фактор помјерања), као и хармоничко изобличење (фактор изобличења). За једноставност, када се први пут уведе концепт фактора снаге, фактор помјерања је део фактора снаге на коме се фокусира. За потпуну разумијевање фактора снаге и средстава за исправљање, фактор изобличења мора бити укључен у било које рачунске факторе снаге.