Руководство по устройству электроустановок - Показатели гармонических искажений и принципы измерений

5 Основные показатели гармонических искажений и принципы измерений
Для количественного измерения и оценки гармонических искажений форм токов и напряжений используются несколько показателей, в частности:
коэффициент мощности
пик-фактор или коэффициент амплитуды
мощность нелинейных искажений
гармонический спектр
величины гармонических искажений
Эти показатели следует использовать при определении любого необходимого корректирующего действия.
Коэффициент мощности Определение
Коэффициент мощности (PF) представляет собой соотношение между активной мощностью (P) и полной мощностью (S).

Его часто путают с параметром:
где
P1 = активная мощность тока основной частоты S1 = полная мощность тока основной частоты
Параметр cos ф относится только к основной сетевой частоте и поэтому отличается от коэффициента мощности PF, который учитывает наличие в электроустановке гармоник.
Интерпретация коэффициента мощности
Первым признаком наличия в электроустановке значительного количества гармоник является то, что замеренный коэффициент мощности PF отличается (меньше) от замеренной величины cos ф.
Пик-фактор
Определение
Пик-фактор или коэффициент амплитуды - это отношение величины амплитуды тока или напряжения (Im или Um) к его действующему значению.
Для синусоидального сигнала пик-фактор равен соответственно 2.
Для несинусоидального сигнала пик-фактор может быть или больше или меньше 2. В последнем случае такие значения пик-фактора свидетельствуют об отличии формы кривой напряжения от синусоидальной, т.е. о наличии искажений.
Интерпретация пик-фактора
Для тока, потребляемого нелинейными нагрузками, величина пик-фактора значительно превышает 2. Обычно она составляет от 1,5 до 2, но в критических случаях может даже достигать 5. Большая величина пик-фактора свидетельствует о наличии больших переходных сверхтоков, способных вызывать ложные срабатывания защитных устройств.
Параметры мощности и гармоники Активная мощность
Активная мощность (P) сигнала, содержащего гармоники, является суммой активных мощностей отдельных гармоник тока и напряжения одного и того же порядка.
Реактивная мощность
Реактивная мощность определяется исключительно для основной частоты, т.е. Q = U1 x I1 x sin ф1
Мощность искажений
При наличии гармоник мощность искажений D определяется как D = (S2 - P2 - Q2)1/2, где S - полная мощность.
Гармонический спектр и гармоническое искажение Принцип
Каждый тип устройства, порождающего гармоники, потребляет ток гармоники определенной формы (определенной амплитуды и фазового сдвига).
Эти параметры, особенно амплитуда каждой гармоники, имеют существенное значение для анализа.
Искажение, вносимое отдельной гармоникой (или гармоническое искажение h-ого порядка)
Искажение, вносимое отдельной гармоникой, определяется процентным соотношением амплитуд гармоник h-ого порядка и сигнала основной частоты (коэффициент n-ой гармоники (см. ГОСТ 13109-97)).
Гармонический спектр
Отображая амплитуду каждой гармоники в функции ее частоты, можно получить график, называемый спектром гармоник.
На рис. L12 представлен пример спектра гармоник прямоугольного сигнала. Действующее значение
Действующее значение тока и напряжения может быть рассчитано в функции действующего значения гармоник разных порядков.
Суммарный коэффициент гармонических искажений (THD)
Термин «суммарный коэффициент гармонических искажений» THD (коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (см. ГОСТ 13109-97)) широко применяется при определении уровня содержания гармоник в знакопеременных сигналах.
Определение THD
Для сигнала y коэффициент THD определяется как:

Это согласуется с определением, приведенным в стандарте IEC 61000-2-2. Отметим, что это значение может превышать 1.
Согласно указанному стандарту, параметр h можно ограничить числом 50. Коэффициент THD позволяет одним числом выразить степень искажений, влияющих на ток или напряжение в любом месте электроустановки. Обычно THD выражается в процентах.
Суммарный коэффициент искажений по току или напряжению



Рис. L12. Спектр гармоник прямоугольного сигнала напряжения U (t)
Для гармоник тока эта формула имеет вид:

Ниже представлена эквивалентная формула, которая является более наглядной и удобной в применении, если известно полное действующее значение:

Для гармоник напряжения формула имеет вид:

Связь между коэффициентом мощности и THD (рис. L13)
Коэффициент THD, отражающий одним значением степень искажения формы тока или напряжения, является важным показателем. Спектр отображает отдельные гармоники, влияющие на искаженный сигнал (коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (см. ГОСТ 13109-97)).

5.6 Использование различных показателей
Показатель THDu характеризует искажение формы напряжения.
Ниже приведены несколько значений THDu и соответствующие им явления, происходящие в электроустановке.
THDu < 5% - нормальная ситуация, отсутствие сбоев в работе оборудования
5-8% - значительное загрязнение сети гармониками, возможны некоторые сбои в работе
> 8% - большая степень загрязнения сети гармониками, возможны сбои в работе оборудования. Требуется проведение тщательного анализа и установка компенсирующих устройств.
Показатель THDi характеризует искажение формы тока.
Устройство, вносящее гармонические возмущения, обнаруживается посредством замеров THDi на входах и выходах различных цепей и соответственно отслеживания путей протекания гармоник.
Ниже приведены несколько значений THDi и соответствующие им явления, происходящие в электроустановке:
THDi < 10% - нормальная ситуация, отсутствие сбоев в работе оборудования
10-50% - значительное загрязнение сети гармониками с опасностью повышения температуры и обусловленной этим необходимостью перехода на кабели большего сечения и более мощные источники питания
> 50% - большая степень загрязнения сети гармониками, возможны сбои в работе оборудования. Требуется проведение тщательного анализа и установка компенсирующих устройств.
Коэффициент мощности
Используется для того, чтобы оценить: насколько необходимо повысить мощность источника питания рассматриваемой электроустановки.
Пик-фактор (коэффициент амплитуды)
Используется для оценки способности генератора (или источника бесперебойного питания) обеспечивать мгновенные токи большой величины. Например, компьютерное оборудование потребляет ток с сильно искаженной формой волны, для которого пик-фактор может достигать значений 3-5.
Спектр (разложение сигнала на отдельные гармоники)

PF
Рис. L13. Изменение        в функции THDi для случая,
cos ф
когда THDu = 0
Дает другое представление электрических сигналов и может использоваться для оценки степени их искажения.