En tecnología de la comunicación, ¿por qué cuantos más armónicos puedan pasar a través del canal, mejor será la calidad de restauración de la señal?
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 definición de armónicos en el sistema de suministro eléctrico es realizar la descomposición en series de Fourier de electricidad periódica no sinusoidal para obtener una serie de componentes que son iguales a la frecuencia fundamental de la red eléctrica, llamados armónicos. La relación entre la frecuencia armónica y la frecuencia fundamental (n=fn/f1) se llama orden armónico. A veces aparecen múltiplos no enteros de armónicos en la red eléctrica, llamados no armónicos o armónicos fraccionarios. Los armónicos son en realidad un tipo de interferencia que "contamina" la red eléctrica. El campo de la tecnología eléctrica estudia principalmente la generación, transmisión, medición, daño y supresión de armónicos, y su rango de frecuencia es generalmente 2≤n≤40.
¿Cómo se generan los armónicos?
Los armónicos de la red eléctrica provienen de tres aspectos:
Primero, la calidad del suministro eléctrico no es alta, lo que genera armónicos:
Debido a que la producción de energía trifásica Los devanados son difíciles de hacer. Debido a razones como la simetría absoluta y la uniformidad absoluta del núcleo de hierro, la fuente de alimentación producirá algunos armónicos, pero generalmente muy pocos.
En segundo lugar, el sistema de transmisión y distribución de energía produce armónicos:
En el sistema de transmisión y distribución de energía, los armónicos son generados principalmente por transformadores de potencia. Debido a la saturación del núcleo del transformador, la no linealidad de la curva de magnetización y las consideraciones económicas al diseñar el transformador, la densidad del campo magnético operativo se selecciona en la sección cercana a la saturación de la curva de magnetización, lo que hace que la corriente magnetizante exhiba una forma de onda máxima. , conteniendo así armónicos impares. Su tamaño está relacionado con la estructura del circuito magnético y la saturación del núcleo de hierro. Cuanto mayor es la saturación del núcleo de hierro, más se desvía el punto de funcionamiento del transformador de la linealidad y mayor es la corriente armónica, de la cual la corriente del tercer armónico puede alcanzar el 0,5% de la corriente nominal.
3. Armónicos generados por equipos eléctricos:
Equipos rectificadores de tiristores. Los rectificadores de tiristores se utilizan ampliamente en locomotoras eléctricas, tanques electrolíticos de aluminio, dispositivos de carga, fuentes de alimentación conmutadas y muchos otros aspectos, provocando una gran cantidad de armónicos en la red eléctrica. Sabemos que el rectificador de tiristores utiliza control de cambio de fase para absorber la onda sinusoidal del ángulo faltante de la red eléctrica, dejando otra onda sinusoidal del ángulo faltante en la red, que obviamente contiene muchos armónicos. Si el rectificador es un circuito rectificador monofásico, contendrá corrientes armónicas impares cuando se conecte a una carga inductiva, y el contenido del tercer armónico puede alcanzar el 30% de la onda fundamental cuando se conecte a una carga capacitiva; voltajes armónicos impares y sus armónicos aumentarán con el valor de capacitancia. Si el dispositivo rectificador es un puente rectificador trifásico de 6 pulsos totalmente controlado, el lado primario del transformador y la línea de alimentación contienen 5 o más corrientes armónicas impares;
Si es un rectificador de 12 pulsos rectificador, también hay 11 y las corrientes armónicas impares anteriores. Según las estadísticas, los armónicos generados por el dispositivo rectificador representan casi el 40% de todos los armónicos y son la mayor fuente de armónicos.
Dispositivo de conversión de frecuencia. Los dispositivos de conversión de frecuencia se utilizan comúnmente en ventiladores, bombas de agua, ascensores y otros equipos. Debido al control de fase, los componentes armónicos son muy complejos, incluidos armónicos enteros y armónicos fraccionarios. La potencia de este tipo de dispositivos suele ser muy alta. Con el desarrollo de la regulación de velocidad de frecuencia variable, cada vez se generan más armónicos en la red eléctrica.
Horno de arco eléctrico, horno de carburo de calcio. Debido a que es difícil para los electrodos trifásicos del horno eléctrico hacer contacto con la carga desigual al mismo tiempo al calentar las materias primas, la combustión es inestable, lo que resulta en una carga trifásica desequilibrada y genera corrientes armónicas, que se inyectan. a la red eléctrica a través de la bobina conectada en triángulo del transformador. Entre ellos, el armónico 27 es el armónico principal, con un promedio del 8% ~ 20% de la onda fundamental y un máximo del 45%.
Fuente de luz eléctrica de descarga de gas. Las lámparas fluorescentes, las lámparas de mercurio de alta presión, las lámparas de sodio de alta presión y las lámparas de halogenuros metálicos son fuentes de luz eléctrica de descarga de gas.
A través del análisis y medición de las características de voltios-amperios de este tipo de fuente de luz eléctrica, se puede ver que la no linealidad es muy grave y algunas también contienen características de voltios-amperios negativos, lo que provocará corrientes armónicas impares en la red eléctrica. .
Electrodomésticos. Televisores, grabadoras de vídeo, ordenadores, lámparas regulables, utensilios de cocina con temperatura regulable, etc. , el uso de un dispositivo rectificador regulador de voltaje producirá armónicos extraños profundos. En equipos con devanados como lavadoras, ventiladores eléctricos y acondicionadores de aire, la forma de onda también puede cambiar debido a cambios en la corriente desequilibrada. Aunque estos electrodomésticos tienen poca potencia, tienen un tamaño enorme y también son una de las principales fuentes de armónicos.
Peligros de armónicos
1. Daño a las líneas de suministro y distribución de energía eléctrica
(1) Afecta el funcionamiento estable de la línea.
Las líneas eléctricas y los transformadores de potencia en los sistemas de suministro y distribución de energía generalmente utilizan relés electromagnéticos, relés de inducción o relés de transistores para la detección y protección para garantizar la seguridad de las líneas y equipos durante fallas. Sin embargo, los relés electromagnéticos y los relés inductivos no pueden proporcionar una protección suficiente y efectiva bajo la influencia de armónicos debido al contenido de menos del 10% y hasta el 40%, lo que resulta en un mal funcionamiento de la protección del relé. Aunque los relés de transistores tienen muchas ventajas, debido al uso de circuitos de muestreo rectificadores, se ven fácilmente afectados por armónicos, lo que provoca un mal funcionamiento o una negativa a funcionar. De esta manera, los armónicos amenazarán seriamente la estabilidad y el funcionamiento seguro del sistema de suministro y distribución de energía.
(2) Afecta la calidad de la red eléctrica
Los armónicos en el sistema eléctrico distorsionarán las formas de onda de voltaje y corriente de la red eléctrica. Por ejemplo, la línea neutra en el sistema de distribución de energía civil generará una gran cantidad de armónicos de orden impar debido a cargas como lámparas fluorescentes, lámparas de atenuación y computadoras, entre las cuales el contenido del tercer armónico es relativamente alto, hasta el 40%. ; en líneas de distribución trifásicas, los múltiplos enteros de los armónicos 3 en la línea de fase se superpondrán a la línea de neutro, de modo que el valor de la corriente de la línea de neutro puede exceder la corriente en la línea de fase. Además, las tensiones armónicas y las corrientes armónicas de la misma frecuencia producirán potencia activa y potencia reactiva del mismo armónico, reduciendo así la tensión de la red y desperdiciando capacidad de la red.
2. Daño al equipo eléctrico
(1) Daño a los condensadores de potencia
Cuando existen armónicos en la red eléctrica, el voltaje de salida del condensador disminuirá cuando se ponga en uso. A medida que aumenta, la corriente que fluye a través del capacitor es mayor, lo que aumenta la pérdida de potencia del capacitor. Para los condensadores dieléctricos compuestos de película y papel, aunque la pérdida de potencia permitida con armónicos es 65438 ± 0,38 veces mayor que sin armónicos; para los condensadores de película completa, la pérdida de potencia permitida con armónicos es 1,43 veces mayor que sin armónicos. Sin embargo, si el contenido de armónicos es alto y excede las condiciones permitidas del capacitor, el capacitor sufrirá sobrecorriente y sobrecarga, y la pérdida de energía excederá el valor anterior, lo que hará que el capacitor genere calor anormal y que el medio aislante se acelere. Envejecimiento bajo la acción del campo eléctrico y la temperatura. Especialmente cuando el condensador se coloca en la red eléctrica con un voltaje distorsionado, también puede agravar los armónicos de la red eléctrica, es decir, se produce el fenómeno de expansión armónica. Además, la presencia de armónicos a menudo hace que el voltaje presente una forma de onda máxima, lo que puede inducir fácilmente una descarga parcial en el medio. Debido a la gran tasa de cambio de voltaje y la fuerte intensidad de la descarga parcial, puede acelerar el envejecimiento del medio aislante. acortando así la vida útil del condensador. En términos generales, por cada 10% de aumento en el voltaje, la vida útil del capacitor se reducirá aproximadamente a la mitad. Además, en el caso de armónicos fuertes, los condensadores pueden expandirse, averiarse o explotar.
(2) Daño a los transformadores de potencia
Los armónicos aumentan la pérdida de cobre del transformador, incluida la pérdida de resistencia, la pérdida por corrientes parásitas y la conductancia en el conductor.
Las pérdidas parásitas causadas por fugas de flujo magnético externo aumentarán. Los armónicos también aumentan la pérdida de hierro del transformador, manifestada principalmente en el aumento de la pérdida por histéresis del núcleo. Cuanto peor sea la forma de onda de voltaje causada por los armónicos, mayor será la pérdida por histéresis. Al mismo tiempo, debido al aumento de las pérdidas en los dos aspectos anteriores, se debe reducir la capacidad real del transformador o se debe considerar el contenido de armónicos en la red eléctrica al seleccionar la capacidad nominal del transformador. Además, los armónicos también pueden provocar un aumento del ruido del transformador. El ruido de vibración del transformador es causado principalmente por la magnetoestricción del núcleo de hierro. A medida que aumenta la frecuencia armónica, aumenta el ruido mixto de los componentes con una frecuencia de vibración de alrededor de 1 KHZ y, a veces, se emiten sonidos metálicos.
3) Daño a los cables de alimentación
Debido a la alta frecuencia armónica y cuanto mayor es la sección transversal del conductor del cable, el efecto piel se vuelve más evidente, provocando la La resistencia CA del conductor aumenta. La corriente permitida del cable se reduce. Además, la resistencia del cable, el lado del bus del sistema y la reactancia inductiva de la línea están conectados en serie con el sistema, y los capacitores que mejoran el factor de potencia y la reactancia capacitiva de la línea están conectados en paralelo con el sistema, por lo que puede producirse resonancia bajo ciertos valores de inductancia y capacitancia.
(4) Daño al equipo eléctrico
Daño al motor
El impacto de los armónicos en los motores asíncronos es principalmente aumentar las pérdidas adicionales del motor y reducir eficiencia, lo que puede causar que el motor se sobrecaliente en casos severos. En particular, los armónicos de secuencia negativa generan un campo magnético giratorio de secuencia negativa en el motor, formando un par en la dirección opuesta a la rotación del motor, actuando como un freno, reduciendo así la salida del motor. Además, cuando la frecuencia de la corriente armónica en el motor está cerca de la frecuencia natural de un determinado componente, también provocará vibración mecánica del motor y producirá mucho ruido.
(5) Daño a las aparamentas de baja tensión
En el caso de los disyuntores de distribución, los disyuntores totalmente electromagnéticos se ven afectados fácilmente por las corrientes armónicas, que aumentan la pérdida de hierro y generan calor. Al mismo tiempo, es difícil disparar debido al impacto sobre electroimanes y corrientes parásitas. Cuanto mayor es la frecuencia armónica, mayor es el impacto. Para los disyuntores termomagnéticos, debido al aumento de la tensión de la piel del conductor y la pérdida de hierro, se genera calor, lo que reduce la corriente nominal y la corriente de disparo; la corriente nominal de los disyuntores electrónicos también debe reducir los armónicos, especialmente los disyuntores electrónicos que detectan picos. valores. Por lo tanto, los tres disyuntores de distribución anteriores pueden ser causados por armónicos.
Para los disyuntores de fuga, debido al efecto de la corriente de fuga armónica, el disyuntor puede generar un calor anormal, lo que resulta en un mal funcionamiento o falta de funcionamiento. Para los conectores angulares electromagnéticos, la corriente armónica aumenta el aumento de temperatura de la parte del imán, lo que afecta el contacto, y el aumento de temperatura de la bobina reduce la corriente nominal. Para los relés térmicos, debido a la influencia de las corrientes armónicas, también se debe reducir la corriente nominal. Puede causar un mal funcionamiento en el trabajo.
(6) Interferencia con equipos del sistema de corriente débil
Para equipos de corriente débil, como redes de computadoras, comunicaciones, televisión por cable, alarmas y automatización de edificios, los armónicos en el sistema de energía pasan La inducción electromagnética, la inducción electrostática y la conducción se acoplan en estos sistemas, creando interferencias. Entre ellos, la fuerza de acoplamiento de la inductancia y la inducción electrostática es proporcional a la frecuencia de interferencia. La conducción se acopla a través de la tierra común y una gran cantidad de corriente desequilibrada fluye hacia el electrodo de tierra, interfiriendo así con el sistema de corriente débil.
(7) Afecta a la precisión de la medición de potencia.
Actualmente existen instrumentos de medida de potencia magnetoeléctricos e inductivos, los cuales se ven muy afectados por los armónicos. Especialmente para los medidores de energía eléctrica (principalmente inductivos), cuando los armónicos son grandes, la medición será confusa e inexacta.
(8) Los armónicos tienen un impacto en el cuerpo humano.
Fisiológicamente hablando, cuando las células humanas son estimuladas y excitadas, se producirán rápidas fluctuaciones eléctricas o cambios reversibles basados en el potencial de reposo de la membrana celular. Si la frecuencia está cerca de la frecuencia armónica, la radiación electromagnética de los armónicos de la red eléctrica afectará directamente el campo magnético del cerebro humano y el campo magnético del corazón.
Cuando el nivel de contaminación armónica de la red eléctrica es inferior al estándar nacional, normalmente no tendrá impacto en el sistema. A medida que aumenta el grado de contaminación, el impacto de los armónicos se hace gradualmente evidente. Cuando los armónicos exceden seriamente el estándar, si no se lleva a cabo el control de armónicos, a menudo se producirán consecuencias muy graves.
Las características de las fuentes de armónicos son muy complejas, debido a que la generación de armónicos no sólo depende de la propia carga que genera los armónicos, sino que también depende de la capacidad de cortocircuito de la red eléctrica, la composición de la red eléctrica y la naturaleza de otras cargas en la red eléctrica. Por lo tanto, el filtro no puede convertirse en un producto finalizado y debe pasar por nuestra empresa.
Los técnicos prueban las condiciones in situ de las fuentes armónicas y luego llevan a cabo diseños especiales basados en los resultados de las pruebas in situ.
El principio de funcionamiento del control de armónicos
Los filtros pasivos se componen principalmente de condensadores de filtro, reactores de filtro, etc. Se combinan apropiadamente en dispositivos de filtro LC. Además del filtrado, el filtro también desempeña un papel en la compensación de potencia reactiva. Los filtros LC incluyen principalmente filtros y sintonización, filtros y sintonización doble, filtros de paso alto, filtros tipo C, etc. En aplicaciones prácticas, se diseñan múltiples conjuntos de filtros de acuerdo con la distribución y el tamaño de las corrientes armónicas y los requisitos de potencia reactiva. Cada conjunto de filtros tiene una baja impedancia correspondiente a un determinado armónico. Los filtros de paso alto tienen baja impedancia a los armónicos por encima de la frecuencia de corte, y los filtros tipo C tienen las características de ancho de banda de frecuencia sintonizada y baja pérdida. La agrupación de filtros debe calcularse con precisión, no sólo para filtrar las corrientes armónicas principales, sino también para cumplir con los requisitos de compensación de potencia reactiva y evitar la amplificación de las corrientes armónicas causadas por la resonancia paralela del filtro y la impedancia del sistema. en frecuencias enteras. El dispositivo de compensación de potencia reactiva y eliminación de armónicos del filtro pasivo desarrollado con éxito por nuestra empresa puede proporcionar de forma rápida y razonable un diseño de filtro preciso de acuerdo con las características específicas de cada usuario.
Principales características del producto
1. Diseñado y fabricado específicamente para sistemas de usuario, puede filtrar corrientes armónicas de 2 a 60 veces al mismo tiempo, y el efecto de filtrado es. obvio (se elimina la corriente armónica promedio. La tasa puede alcanzar más del 70-80%).
2. No sólo puede controlar los armónicos, sino también compensar la potencia reactiva. Después del control de armónicos, cumple con los requisitos de las normas nacionales y ahorra entre un 10% y un 30% de electricidad.
3. Una vez que se pone en uso el dispositivo de filtrado, la calidad de la energía se puede mejorar significativamente, lo que puede mejorar el impacto actual causado por las cargas de impacto, reducir las fluctuaciones de voltaje, suprimir el parpadeo de voltaje, mejorar la estabilidad y mejorar. calidad del voltaje. El factor de potencia se puede aumentar por encima de 0,96, lo que reduce las pérdidas de la línea del usuario, mejora la eficiencia de carga de los transformadores de distribución y logra beneficios económicos obvios.
4. Cada interruptor de rama de filtro adopta un contactor de vacío de alto rendimiento, con un sistema de control completo y funciones de protección completas, como protección contra cortocircuitos, protección contra sobretensión, protección contra sobrecorriente, etc. , funcionamiento fiable y funcionamiento sencillo.
Beneficios del control de armónicos
1. Después de instalar el dispositivo de control de armónicos, la corriente armónica se reduce efectivamente, se aumenta la capacidad efectiva del transformador y se puede reducir la capacidad de carga correspondiente. aumentó, reduciendo la inversión necesaria para la expansión.
2. Después de instalar el dispositivo de control de armónicos, puede reducir eficazmente la pérdida del transformador, mejorar el factor de funcionamiento seguro del transformador y garantizar que el dispositivo de protección y los dispositivos sensibles a los armónicos no funcionen mal. Ahorrando así energía y reduciendo el consumo.
3. La tasa de ahorro de energía es del 10% al 30%, la tasa de filtrado armónico es del 70% al 80%, el efecto de la piel se reduce y la pérdida de calor, pérdida de cobre, pérdida de hierro y pérdida magnética. y el ruido se reducen considerablemente, de acuerdo con las directivas nacionales de conservación y reducción del consumo de energía y los requisitos de desarrollo sostenible.
4. Suprime eficazmente las corrientes armónicas y el lado de 10 KV cumple con el estándar nacional GB/T14549-93 para optimizar la calidad del suministro de energía y evitar ser multado por el departamento de suministro de energía local debido a la distorsión de la forma de onda de CA causada por armonía.
Estándar nacional para armónicos de redes eléctricas
GB/T14549-93 Estándar armónico de redes eléctricas públicas
Tensión (KV) contenido total de armónicos % contenido impar % contenido par %
0,38 5 4 2
6 4,0 3,2 1,6
10 4,0 3,2 1,6
35 3,0 2,4 1,2
66 3,0 2,4 1,2
110 2,0 1,6 0,8
Serie de Fourier
Serie de Fourier
Un tipo Serie trigonométrica especial. El matemático francés J.-B.-J. Fourier lo propuso al estudiar el problema de valores en la frontera de ecuaciones diferenciales parciales. Esto impulsó en gran medida el desarrollo de la teoría de las ecuaciones diferenciales parciales. En China, Cheng Minde estudió sistemáticamente por primera vez series trigonométricas multivariadas y series multivariadas de Fourier. Primero demostró el teorema de unicidad de la suma esférica de series trigonométricas multivariadas y reveló muchas características del promedio esférico de Riess-Bochner de series multivariadas de Fourier. Las series de Fourier contribuyeron en gran medida al desarrollo de la teoría de las ecuaciones diferenciales parciales. Tiene importantes aplicaciones en matemáticas, física e ingeniería.
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Fórmula de la serie de Fourier
Dada una función x(t) con periodo t, se puede expresar como Una serie infinita:
& ltMatemáticas& gtx(t)= \sum_{k=-\infty}^{+\infty}a_k\cdot e^{jk(\frac{2\ pi}) t}</math>(J es la unidad imaginaria)(1)
Entre ellos,
& ltMatemáticas& gta _ k = \ frac \ int _ x(t)\ cdot e^{-jk(\frac{2\pi})t}</math & gt;(2)
Nota
Nivel de Fourier Convergencia de números
Convergencia de series de Fourier: Las series de Fourier representadas por funciones periódicas que satisfacen la condición de Dirichlet son todas convergentes. Las condiciones de Dilihri son las siguientes:
X(t) debe ser absolutamente integrable en cualquier período;
En cualquier intervalo finito, x(t) sólo puede tomar un número limitado de valores máximos O valor mínimo;
En cualquier intervalo finito, x(t) solo puede tener un número finito de puntos discontinuos de primer tipo.
Fenómeno de Gibbs: en el punto no diferenciable de x(t), si solo los términos finitos de la serie infinita en el lado derecho de (1) se toman como la suma de X(t), entonces X (t) Habrá fluctuaciones en estos puntos. Un ejemplo sencillo es una señal de onda cuadrada.
Ortogonalidad de la familia de funciones trigonométricas
La llamada ortogonalidad de dos vectores diferentes significa que su producto interno es 0, lo que significa que no existe correlación entre el sexo de los dos vectores. . Por ejemplo, en el espacio euclidiano tridimensional, los vectores perpendiculares entre sí son ortogonales. De hecho, la ortogonalidad es la abstracción y generalización de la verticalidad en matemáticas. Un conjunto de n vectores mutuamente ortogonales debe ser linealmente independiente, por lo que debe ser un espacio n-dimensional, es decir, cualquier vector en el espacio puede ser representado linealmente por ellos. La ortogonalidad de la familia de funciones trigonométricas se expresa mediante la fórmula:
& ltMatemáticas& gt\int _^{2\pi}\sin (nx)\cos (mx) \, dx = 0;& lt /matemáticas & gt;
& ltMatemáticas& gt\int _^{2\pi}\sin (mx)\sin (mx) \, dx = 0; (m \ ne n)& lt ;/ matemáticas & gt;
& ltMatemáticas& gt\int _^{2\pi}\cos (mx)\cos (mx) \, dx = 0; (m \ ne n)& lt;/matemáticas & gt;
& ltMatemáticas& gt\int _^{2\pi}\sin (nx)\sin (nx) \, dx = \ pi& lt/matemáticas & gt; >& ltMatemáticas& gt\int _^{2\pi}\cos (nx)\cos (nx) \, dx = \ pi& lt/math & gt;
Funciones pares e impares
Las funciones impares< math >f_o(x)</math> se pueden expresar como series sinusoidales o funciones pares
& ltMatemáticas & gtf _ o(x)= \ sum __\infty. }^{+\infty}b_k \ sin(kx);& lt/math & gt;
& ltmathematics& gtf _ e (x)= \frac+\ sum _{-\infty}^{+ \infty}a_k\cos(kx); & lt/math & gt; Solo preste atención a la fórmula de Euler:
Serie de Fourier generalizada
Cualquier sistema de funciones ortogonales
& ltMatemáticas& gt\ int _^f^2(x)\,dx=\sum _{k=1}^{ \infty}c^_</math>(4),
Entonces la serie
& ltmath& gtc _ n = \ int _^f(x)\ phi_n(x)\,dx</math>(6).
De hecho, independientemente de si (5) converge o no, siempre tenemos:
& ltmathematics& gt\ int _^f^2(x)\,dx \ ge \ sum _{k=1}^{\infty}c^_</math>Esta es la llamada desigualdad de Bessel. Además, la fórmula (6) se deriva fácilmente de la ortogonalidad porque para cualquier unidad de base ortogonal