兩個現代電能質量問題

由馬蒂·馬丁，PE

當我們連接更多的電子設備，以我們的電力系統，電力的「質量」就顯得更為重要。 「質量」可以定義多種方式。 穩定的電壓和無失真的波形是兩個特點，這是非常可取的電力系統。 接地影響電壓穩定，並且更重要的是對人身安全至關重要。 諧波是我們用來分析波形失真的數學模型。

你可能已經聽說過這個詞「諧??音。」許多技術文章都在寫這個題目; 然而，這些文章並不總是解決一個理??解的方式我們的基本問題：

什麼是諧波？它們是如何影響我的建築或我的產品？什麼是諧波的癥狀是什麼？我該如何解決這些系統？我該如何解決這個問題？

諧波是現實世界中的數學模型。 諧波是一個簡單的技術來分析當前所具有數據機「變少」電源計算機，電子鎮流器，變頻驅動器等設備繪製。 讓我們來看看如何將這些電源進行操作。

有電氣工程法稱為歐姆定律。 這個基本定律指出，當一個電壓通過一個電阻施加，電流流過。 這是怎麼回事電氣設備運行。 在美國，我們應用在我們的設備上的電壓是正弦波，經營60赫茲（每秒周期數）。

該實用程序生成做這個電壓正弦波的一個美妙的工作。 它具有（相對）恆定幅度和恆定頻率。

一旦該電壓被施加到一個裝置中，歐姆定律踢英寸歐姆定律指出電流等於電壓除以電阻。 數學表達式：

I = V / R

圖形表示，當前的結束是另一個正弦波，因為電阻是一個常數。 歐姆定律決定了電流波形的頻率也是60赫茲。 在現實世界中，這是事實; 雖然兩個正弦波可能不完全一致（如功率因數 - ！另一個話題）的電流波確實是一個60赫茲正弦波。

因為所施加的電壓的正弦波會導致要被繪製的正弦電流，它表現出這種行為的系統稱為線性系統。 白熾燈，加熱器，在很大的程度上，電機是線性系統。

我們的一些數據機的設備，但不適合這一類。 計算機，變頻驅動器，電子鎮流器和不間斷電源系統是非線性的系統。 在這些系統中，電阻是不恆定的，而事實上，每個正弦波期間變化。 這是因為該裝置的阻力不是一個常數。 其實阻力，每個正弦波期間更改。

「前端」或這些系統的電源包含固態器件，如功率晶體管，晶閘管或可控硅整流器（SCR）。 這些器件吸取的電流脈衝。 讓我們來看看它們是如何工作的：

非線性系統 - 電腦，變頻驅動器，電子鎮流器

檢查圖3。當我們施加電壓到固態供電，電流為（大約）為零，直到一個關鍵的「點火電壓」達到的正弦波。 在這個點火電壓時，晶體管（或其它設備）門或允許電流來進行。 這個電流通常隨時間增加，直到正弦波的峰值和減小，直到臨界點火電壓就達到了在正弦波的「下側」。 然後，器件關斷和電流變為零。 同樣的事情發生在正弦波的負側的電流被繪製的第二負脈衝。 吸收的電流，然後是一系列的正，負脈衝，而不是正弦波通過線性系統繪製。 有些系統具有不同形狀的波形，例如方波。 這些類型的系統通常被稱為非線性系統。 該電源的汲取這種類型的電流被稱為交換式電源供應。 一旦這些脈衝電流的形成，我們有困難的時候分析其效果。 電源工程師被教導要分析對電力系統的正弦波的影響。 分析這些脈衝的影響是困難得多。

圖3

為了解決這個問題，我們把數學; 具體地，傅立葉分析。 簡單地說，使用傅立葉分析，我們可以證明：

任何周期波形可以表示為一系列正弦波的具有不同的頻率和振幅。

也就是說，我們可以創建一系列不同頻率和振幅來建立數學模型這一系列脈衝的正弦波的。 我們使用的頻率是基本頻率，60赫茲的倍數。 我們稱這些多個頻率的諧波。 的二次諧波是2倍60赫茲，或120赫茲。 三次諧波是180赫茲等。 在我們的三相電力系統中，「連」諧音（第二，第四，第六等）取消，所以我們只需要處理「奇」的諧音。 參考圖4，看看這些諧波的樣子。

圖4

該圖中示出了基本的和三次諧波。 正如你可以看到，有三次諧波為基波的每個單周期的三個周期。 如果再加上這兩個波形，我們得到了一個非正弦波形。

這種合成現在開始形成是表示由開關模式電源所產生的脈衝的峰值。 這樣得到的波形非常相似於圖3，如果我們加在其它諧波，可以模擬任何失真的周期性波形，諸如通過VFD系統的UPS產生的方波。

重要的是要記住這些諧波是一個簡單的數學模型。 脈衝或方波，或其他波形失真是我們實際看到的，如果我們把示波器上的建築物的布線系統。

這些電流脈衝，因為歐姆定律，也將開始扭曲在建築上的電壓波形。 該電壓失真可以引起電子設備的過早損壞。

在三相系統中，三相電力系統是120"的相位差。 當前B相上後上A的電流同樣，由於這種電流對C相發生120"之後的階段B中的電流，我們的60赫茲（基波）的電流實際上取消發生120度（1/3周期）在中性。 如果我們有平衡的60赫茲電流對我們的三相導體，我們的中性線電流將為零。 可以證明數學上的零線電流（假設只有60赫茲的話）將不會超過最高負載相導線。 因此，我們對我們的相線過電流保護也保護中性線，即使我們不把過電流保護裝置在中性導體。 我們所保護的中性的數學！

當諧波電流的存在，這道數學分解。 每個三相導體的第三諧波是完全同相。

當這些諧波電流，來一起在中性的，而不是取消，它們實際上增加，我們可以對中性導體比相導體的電流。 我們的中性導體通過數學不再受到保護！

這些諧波電流產生熱量。 這種熱過一段時間後，會提高中性導體的溫度。 氣溫上升可能會過熱周圍的導體，造成保溫失效。 這些電流也將過熱而提供電源系統的變壓器的來源。 這是諧波問題最明顯的癥狀; 過熱中性導線和變壓器。 其他癥狀包括：

幾種補救措施，以解決這些癥狀：

尺寸過大中性導體

在具有共享中立三相電路中，它是常見的特大型中性導體高達200％的負載供應由非線性負載的時候。 例如，系統傢具的大多數製造商提供了一個＃10 AWG導線與35安培終端的中性與三個＃12 AWG相導線共享。 在擁有大量非線性負載的饋線，饋線中性導體和配電盤母線也應過大。

使用單獨的中性導體

在三相分支電路，另一種理念是不能合併中性，但運行單獨的中性導體為每相導線。 這增加了33％，銅的使用。 而這成功地消除了另外的分支電路的中性諧波電流，該配電板中性母線和饋電中性導體仍然必須是過大的。

尺寸過大的變壓器和發電機：設備的增加的熱容量的尺寸過大，應也可用於變壓器和發電機的服務諧波產生的負荷。 較大的設備中含有較多的銅。

K級變壓器

特殊變壓器已被開發，以適應所造成的這些諧波電流的額外加熱。 這些類型的變壓器，現在常用的新電腦室和電腦室設施規定。

特種變壓器

有幾種特殊類型的變壓器連接，這可以抵消諧波。 例如，傳統的Δ-Y型變壓器連接將捕獲所有triplen諧波（第三，第九，第十五，第二十一，等）的增量。 額外的特殊繞組連接可以用來取消在平衡負載等諧波。 這些系統還使用更多的銅。 這些特殊的變壓器通常在計算機配備了很好的平衡諧波產生的負載，如多輸入主機或匹配的DASD外設指定。

過濾

雖然許多濾波器在這個頻率範圍內不工作特別好，特別的電子跟蹤濾波器可以很好地工作，以消除諧波。 這些過濾器是目前比較昂貴，但應考慮徹底消諧。

特別測光

標準鉗式電流表只有敏感到60赫茲的電流，所以他們只說明了事實的一部分。 新的「真有效值」米會感應電流可達千赫茲範圍內。 這些米應當用於檢測諧波電流。 在一個舊風格的鉗式電流表和真有效值電流表讀數之間的差異會給你。 的指示諧波電流的存在量。

上述措施只是解決問題的癥狀。 為了解決這個問題，我們必須指定低諧波的設備。 這是指定的電子鎮流器時，最容易做的。 許多廠商都生產其產生小於15％諧波的電子鎮流器。 這些鎮流器應考慮任何鎮流器改裝或任何新的項目。 直到低諧波電腦的情況下，隔離在不同的電路，不同的配電板和變壓器中使用這些諧波負載應予以考慮。 「臟」和「乾淨」的負載隔離這是基本的電氣設計出到今天。 這相當於多個分支電路，更配電板，從而更多的銅使用量。

接地導體：您的安全壽命

接地導體的要求在美國國家電氣規範，並在世界上其他大多數主要的電氣規範。 在英國IEE布線規則，他們被稱為接地導體。 不管他們是所謂的，這些導體達到同樣的目的。 接地導體連接所有的電氣系統的非載流部件，或任何金屬部件中的電氣系統的附近在一起。 這部分包括導管，外殼，支架及其他金屬物體。 這種接地系統有兩個目的：

1， 安全。接地導線系統提供了故障電流流動的低阻抗路徑。 這允許通過過電流保護裝置（熔斷器和斷路器）進行檢測的全電流，安全快速清除故障。

2， 電源質量，接地系統允許所有的設備具有相同的基準電壓。 這有助於該設施電子設備的操作，並有助於防止對通信線路，密封件等連接流動反感的電流。

讓我們來看看安全問題更加緊密。 請考慮以下系統：包括連接斷開和配電盤上的電壓源（變壓器或發電機）的電源系統。 電器從該配電盤供電。 當電路被形成在電路流過電流允許設備進行操作。 接地導體裝置的框架連接到配電盤是外殼和該服務的外殼。 這個外殼被連接到接地導體（通常是中性導體），其又連接到所述變壓器的接地端子。

如果一個故障（或短路）時，接地導體連接允許電流流過。這個電流會比正常負載電流大得多，並會導致斷路器打開快。 此安全清除故障，最大限度地減少任何安全隱患的人員。

假定接地導體被中斷。 如果發生故障，就不會有電流在接地導體流到因為電路中斷。 這打開了接地導體可能是由接地插腳非法切斷插頭，連接鬆動，這是不正確連接或許多其他原因的管道引起的。 這個故障離開通電的電器的結構。 當有人通過，觸動電器，也觸動了建築鋼材，另一個管道系統，並可能甚至是濕的混凝土地板，電路就會在電流通過人的身體完成的，傷害或殺害他們。

許多代碼允許使用金屬導管被用作接地導體。 很多設計師今天不認為使用鋼導管用於該用途是足夠的。 導管具有連接每十英尺，往往低年級，鑄造金屬接頭和連接器使用。 目前已在文中的「接地」由威廉·薩默斯（由電氣督察的國際協會公布），這表明長期分支電路，該鋼導管的阻抗可以限制故障電流提供的數據，以使過電流保護裝置會無法正常工作。 出於這個原因，我們認為，銅接地導線應在每個電源電路來指定。

這個銅接地導體的第二個好處是它會連接到它的所有設備提供等電位平面。 這往往使得通過計算機和其它製造商不必要指定的所謂隔離的接地導體。