Основные источники искажений в силовых сетях объектов: трансформаторы

Наука и техника развиваются, появляются новые устройства, но альтернатива трансформаторам в силовых сетях пока не найдена. Зато характеристики и возможности данных электротехнических изделий хорошо изучены. Особое значение при формировании линий передачи энергии имеют качественные показатели напряжения (тока) у конечного потребителя, например, на входе конкретного прибора, станка, вычислительного центра и т.д. Не важно, какой трансформатор установлен, повышающий или понижающий, сердечник у него из магнитного материала, то есть от возникновения электромагнитного поля (с соответствующими последствиями) избавиться нереально.

Почему появляются искажения

При выборе силового трансформатора обращают внимание на вход и выход по напряжению.

Чтобы разобраться, рассмотрим рис.1, где слева – петля гистерезиса, справа – та же петля, но в зависимости амплитуды тока от времени.

Если бы в сердечнике не оставалась частичная намагниченность, синусоида выходила бы идеальной, но в реальности образующиеся гармоники меняют не только форму сигнала, но и общую амплитуду (реальное значение).

В трехфазных системах основными паразитными гармониками считаются нечетные, кратные трем. Но в моменты включения трансформатора свой вклад могут вносить также 2-я и 4-я гармоники.

Иллюстрацией происходящего процесса может послужить рис.2, где отдельно отмечено поведение тока, напряжения и мощности во время включения, в нижней зоне рисунка показана магнитуда гармоник.

Стоит заметить, что маломощные трансформаторы, например, в бытовой технике, также вносят искажения по цепи питания, но они практически не влияют на работоспособность подключаемого прибора. Кратковременный бросок напряжения в момент включения может достигать 10% сверх номинала, а устройства при номинале 220В, как правило, изначально выдерживают 250В.

Последствия искажений амплитуды тока, напряжения и мощности

Неприятности от описанных эффектов с точки зрения потребителя (особенно, если это владелец производственной линии или завода) можно перечислить:

• количественный показатель мощности (по счетчику, фактический) существенно превышает суммарный по всему оборудованию (расчетный);
• проблемы при одновременном запуске оборудования;
• необходимость установки дополнительных электротехнических устройств, если конечные приборы чувствительны к повышению или снижению напряжения.

Первый пункт должен привлечь внимание, если расхождение между расчетным и фактическим потреблением составляет 10% и более. Если значения расходятся в пределах 5-7%, скорее всего, улучшить положение не удастся: при расчетах основываются на активной мощности (потребляемой оборудованием), а по факту трансформаторам (и некоторым другим узлам) нужна реактивная мощность (на обеспечение собственной работоспособности).

В любом случае, на работающем предприятии неплохо провести энергоаудит, в процессе которого и с гармониками разобраться, и продумать последовательное включение линий/станков.

Можно ли избавиться от остаточной намагниченности сердечника

Обмотки трансформатора перестают взаимодействовать с сердечником (условно, магнитом) после отключения подачи электричества, но магнитное поле (не такое сильное, как при стабильной работе), остается. То есть, при следующем включении достижение заданной (номинальной) амплитуды тока сопряжено с «преодолением препятствий»: на момент «загрузки» вместо нуля присутствует намагниченность неопределенного значения.

Теоретически решения имеются. Например, получить «идеальный» сердечник, в котором, если его обесточить, сводится к нулю и намагниченность (за счет свойств материала). Как вариант, схематически (конструктивно) организовать периодическое размагничивание сердечника.