¿Qué es la armonía?
La palabra "armónico" proviene de acústica. El análisis matemático de los armónicos estuvo bien establecido en los siglos XVIII y XIX. El análisis armónico propuesto por Fourier et al.
Este método todavía se utiliza mucho. El problema armónico del sistema eléctrico ya atrajo la atención de la gente en los años 1920 y 1930. En aquella época, en Alemania, las formas de onda de tensión y corriente se distorsionaban debido al uso de convertidores estáticos de arco de mercurio. El artículo de J.C. Read sobre armónicos de convertidores publicado en 1945 es un artículo clásico en las primeras investigaciones armónicas.
En las décadas de 1950 y 1960, debido al desarrollo de la tecnología de transmisión de corriente continua de alto voltaje, se publicaron una gran cantidad de artículos sobre los problemas armónicos causados por los convertidores en los sistemas de energía. Desde la década de 1970, debido al rápido desarrollo de la tecnología de la electrónica de potencia, se han utilizado ampliamente diversos dispositivos electrónicos de potencia en los sistemas de energía, la industria, el transporte y los hogares, y el daño causado por los armónicos se ha vuelto cada vez más grave. Los países de todo el mundo conceden gran importancia a las cuestiones armónicas. Se han celebrado muchas conferencias académicas internacionales sobre armónicos y muchas organizaciones académicas nacionales e internacionales han formulado estándares y regulaciones para limitar los armónicos en sistemas de energía y equipos eléctricos.
La importancia de la investigación de armónicos es ética, porque el daño de los armónicos es muy grave. Los armónicos reducen la eficiencia de producción, transmisión y utilización de la energía eléctrica, provocan que los equipos eléctricos se sobrecalienten, producen vibraciones y ruido, envejecen el aislamiento, acortan la vida útil e incluso se averían o se queman. Los armónicos pueden causar resonancia local paralela o resonancia en serie en el sistema de energía, amplificando el contenido armónico y provocando que los capacitores y otros equipos se quemen. Los armónicos también pueden provocar fallos de funcionamiento en los relés de protección y en los dispositivos automáticos, provocando confusión en la medición de energía. Fuera del sistema de energía, los armónicos pueden causar interferencias severas en equipos de comunicaciones y equipos electrónicos.
2. Supresión de armónicos
Para solucionar el problema de contaminación armónica de los dispositivos electrónicos de potencia y otras fuentes de armónicos, existen dos ideas básicas: una es instalar dispositivos de compensación de armónicos. están compensados, lo cual es adecuado para varias fuentes de armónicos; el otro es modificar el propio dispositivo electrónico de potencia para que no se generen armónicos durante el período y el factor de potencia pueda controlarse en 1. Por supuesto, esto solo es aplicable a la red principal; Fuente armónica. Dispositivos electrónicos de potencia.
El método tradicional de instalación de dispositivos de compensación de armónicos es utilizar filtros sintonizados LC. Este método puede compensar tanto armónicos como potencia reactiva, y tiene una estructura simple, por lo que ha sido ampliamente utilizado. La principal desventaja de este método es que las características de compensación se ven afectadas por la impedancia de la red y el estado operativo, y pueden causar fácilmente resonancia paralela con el sistema, lo que resulta en amplificación armónica y sobrecarga del filtro LC o incluso agotamiento. Además, sólo puede compensar armónicos de frecuencias fijas y el efecto de compensación no es ideal.
3. Compensación de potencia reactiva
Es muy fácil para las personas entender la potencia activa, pero no es fácil entender la potencia reactiva en profundidad. En los circuitos sinusoidales, el concepto de potencia reactiva es claro, pero cuando incluye armónicos, no existe una definición generalmente aceptada de potencia reactiva. Sin embargo, la importancia del concepto de potencia reactiva es la misma que la de compensación de potencia reactiva. La compensación de potencia reactiva debe incluir la compensación de potencia reactiva de ondas fundamentales y la compensación de potencia reactiva armónica.
La potencia reactiva es muy importante para el funcionamiento de sistemas y cargas de suministro de energía. La impedancia de los elementos de la red del sistema eléctrico es principalmente inductiva. Por lo tanto, en términos generales, para transmitir potencia activa, se requiere una diferencia de fase entre el voltaje en el extremo emisor y el voltaje en el extremo receptor, que se puede lograr dentro de un rango bastante amplio, el cual se puede lograr dentro de un rango bastante amplio; Se requiere que el voltaje en ambos extremos tenga una amplitud pobre, esto sólo puede lograrse dentro de un rango muy estrecho. La mayoría de los elementos de la red no solo consumen energía reactiva, sino que la mayoría de las cargas también consumen energía reactiva. La potencia reactiva requerida por los elementos y cargas de la red debe obtenerse de algún lugar de la red. Obviamente, no es razonable y normalmente imposible que estas potencias reactivas sean proporcionadas por generadores y transportadas a largas distancias. El método razonable debería ser generar energía reactiva donde sea necesario consumirla, que es la compensación de energía reactiva.
Las funciones de compensación de potencia reactiva incluyen principalmente los siguientes puntos:
(1) Mejorar el factor de potencia del sistema de suministro de energía y la carga, reducir la capacidad del equipo y reducir la pérdida de energía.
(2) Estabilizar el terminal receptor y el voltaje de la red y mejorar la calidad del suministro eléctrico. La instalación de dispositivos dinámicos de compensación de potencia reactiva en ubicaciones apropiadas en líneas de transmisión de larga distancia también puede mejorar la estabilidad del sistema de transmisión y aumentar la capacidad de transmisión.
(3) Cuando la carga trifásica está desequilibrada, como en los ferrocarriles electrificados, las cargas activas y reactivas de las tres fases se pueden equilibrar mediante una compensación de potencia reactiva adecuada.
2. Generación de armónicos y potencia reactiva
Las cargas inductivas representan una gran proporción de las cargas eléctricas industriales y domésticas. Motores asíncronos, transformadores, lámparas fluorescentes, etc. Todas ellas son cargas inductivas típicas. La potencia reactiva consumida por motores y transformadores asíncronos representa una gran proporción de la potencia reactiva proporcionada por el sistema eléctrico. Los reactores y las líneas aéreas del sistema eléctrico también consumen algo de potencia reactiva. Las cargas resistivas deben absorber potencia reactiva para funcionar correctamente, la cual está determinada por su propia naturaleza.
Los dispositivos no lineales, como los dispositivos electrónicos de potencia, también consumen energía reactiva, especialmente varios dispositivos controlados por fase. Como los rectificadores controlados por fase, los circuitos de regulación de potencia de CA controlados por fase, los convertidores periódicos, etc., cuando la corriente fundamental va por detrás del voltaje de la red durante el funcionamiento, consumen una gran cantidad de potencia reactiva. Además, estos dispositivos generan grandes cantidades de corrientes armónicas y las fuentes de armónicos consumen potencia reactiva. La fase de corriente fundamental del circuito rectificador de diodos es casi la misma que la tensión de la red, por lo que básicamente no se consume potencia reactiva fundamental. Pero también genera una gran cantidad de corriente armónica, por lo que también consume cierta cantidad de potencia reactiva.
En los últimos 30 años, los dispositivos electrónicos de potencia se han utilizado cada vez más, lo que también ha convertido a los dispositivos electrónicos de potencia en la mayor fuente de armónicos. Entre los diversos dispositivos electrónicos de potencia, los dispositivos rectificadores representan la mayor proporción. Actualmente, los circuitos rectificadores más utilizados utilizan circuitos rectificadores controlados por tiristores o circuitos rectificadores de diodos, entre los cuales los circuitos rectificadores de puente trifásicos y los circuitos rectificadores de puente monofásicos son los más comunes. La contaminación armónica y el retraso del factor de potencia causados por circuitos rectificadores de carga resistiva son bien conocidos. El circuito rectificador de diodos con filtrado de condensadores en el lado de CC también es una fuente importante de contaminación armónica. La fase del componente fundamental de la corriente de entrada a este circuito es casi la misma que la del voltaje de suministro, por lo que el factor de potencia fundamental es cercano a 1. Sin embargo, el componente armónico de su corriente de entrada es muy grande, lo que provoca una grave contaminación de la red eléctrica y hace que el factor de potencia total sea muy bajo. Además, los dispositivos electrónicos de potencia, como los circuitos de acondicionamiento de energía de CA y los convertidores periódicos con modo de control de fase, también generarán una gran cantidad de corrientes armónicas en el lado de entrada.
3. El impacto de la potencia reactiva y el daño de los armónicos
1. El impacto de la potencia reactiva
(1) El aumento de la potencia reactiva provocará Aumento de la potencia actual y aparente, aumentando con ello la capacidad y capacidad conductora de equipos eléctricos como generadores y transformadores.
. Al mismo tiempo, también deberían aumentarse el tamaño y las especificaciones de los equipos de arranque y control y de los instrumentos de medición para los usuarios energéticos.
(2) A medida que aumenta la potencia reactiva, aumenta la corriente total, aumentando así las pérdidas de equipos y líneas, lo cual es obvio.
(3) Incrementar la caída de tensión de líneas y transformadores. Si se trata de una carga reactiva al impacto, el voltaje fluctuará violentamente, reduciendo seriamente la calidad del suministro de energía.
2. Daño de los armónicos
La tensión proporcionada por la red eléctrica pública ideal debería ser una única frecuencia fija y una amplitud de tensión especificada. La aparición de corrientes armónicas y voltajes armónicos es un tipo de contaminación para la red eléctrica pública, y el entorno en el que se utilizan los equipos eléctricos se está deteriorando cada vez más. También se utiliza ampliamente en los equipos electrónicos de potencia circundantes. Antes de su aplicación generalizada, la gente ya había realizado algunas investigaciones sobre los armónicos y sus peligros, y tenía un cierto conocimiento de ellos. Sin embargo, en ese momento, la contaminación armónica todavía requería un castigo severo y no atraía suficiente atención. En los últimos treinta o cuarenta años se ha hecho público el rápido desarrollo de diversos dispositivos electrónicos de potencia. La contaminación armónica de la red eléctrica es cada vez más grave y también ocurren constantemente diversas fallas y accidentes causados por armónicos. La gravedad del daño armónico ha atraído gran atención de la gente. El daño de los armónicos a las redes eléctricas públicas y otros sistemas es aproximadamente el siguiente.
(1) Los armónicos pueden causar pérdidas armónicas adicionales en los componentes de la red eléctrica pública, reduciendo así la eficiencia de la generación, transmisión y equipos eléctricos de energía. Cuando una gran cantidad de terceros armónicos fluyen a través de la línea neutra, se puede sobrecalentar la línea e incluso provocar un incendio.
(2) Los armónicos afectan el funcionamiento normal de diversos equipos eléctricos. El impacto de los armónicos en el motor no sólo provocará pérdidas adicionales, sino que también producirá vibraciones mecánicas, ruido y sobretensión. En casos severos, puede provocar un sobrecalentamiento local del transformador. Los armónicos provocan que los condensadores, cables y otros equipos se sobrecalienten, envejezcan el aislamiento, acorten su vida útil o incluso los dañen.
(3) Los armónicos causarán resonancia local paralela y resonancia en serie en la red eléctrica pública, amplificando así los armónicos, aumentando en gran medida el daño de los anteriores (1) y (2), e incluso causando accidentes graves. .
(4) Los armónicos pueden provocar fallos de funcionamiento de los relés de protección y de los dispositivos automáticos, haciendo que las medidas de los instrumentos de medida eléctricos sean inexactas.
(5) Los armónicos interferirán con los sistemas de comunicación adyacentes, producirán ruido bajo la luz y reducirán la calidad de la comunicación; en el peor de los casos, la residencia se perderá, lo que provocará que el sistema de comunicación no funcione correctamente.
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