电能质量是对电力系统稳定性的估计，通常这被描述为“电能质量健康状况”。这是使用考虑多个变量的仪器在三相电气系统上测量的。排除电源质量问题将通过优化能源使用和保护设备免受未来损坏来帮助您的设施节省资金。评估的第一步电能质量是从设备、基础设施和服务面板捕获数据。电能质量差的主要影响包括:
- 下降和膨胀-电压低于或高于预期
- 谐波——由电源或系统内运行的设备引起的频率效应
- 不平衡-电压或电流变化对每个电相的影响
- 闪烁-由重复开关电气负载如电弧炉或其他过程引起的效应
电力中的谐波是什么?
谐波是频率是基本电源频率整数倍的电流或电压，在美国基本电源频率是60赫兹。如果第一个基频是60hz，那么第二个基频是120hz，第三个基频是180hz。这里有一些可能与谐波有关的问题的例子。
- 闪烁的灯光是电源质量问题的常见症状。闪烁灯光的一个潜在来源是负载电流或电压快速波动的机械。这些机器包括启动时的大型电机，具有循环转换器的机械，如轧机驱动器和矿山绕线机，以及使用静态频率转换器的机器，如交流电机和电弧炉。
- 变压器过热和断路器跳闸可能是谐波问题的迹象，当非线性负载以突然的脉冲而不是平稳的正弦方式吸收电流时，会导致谐波电流回流到电力系统的其他部分。
总谐波失真
系统中谐波的状态可以用多种方式表示，第一种是总谐波失真(THD)。THD是所有谐波效应的总和;通常这是测量到电力系统基频(60hz)的50倍，在3kHz或根据一些指导的40倍(2.4kHz)。就电能质量健康状况而言，THD的这个值通常应用于电压。导则指出，电压谐波效应相对于基本电压应小于8%。高于上述8%的数值应进一步调查。
第一级调查是确定每个和声的百分比，第2、3、4、5 - 50。这可以在测量仪器上显示，也可以在记录和下载数据的图表上显示，这被可视化为“谐波频谱”。
这个样本谐波谱显示了一个非常典型的场景。电压THD为中等范围，每相约为3.5%。注意最大的谐波分别是在5号和3号，在7号之后不久，谐波下降得非常快。这些谐波是由电脑、显示器、电视和LED照明等电子设备使用的开关模式电源产生的。在某种程度上，这些谐波是设备制造商允许的——在他们的设备内部，他们有电子滤波器，防止产生更高的谐波。通过添加简单的无源元件(如电阻、电容和电感)网络来实现预防或缓解。通过在产品中包含这种简单的缓解措施，制造商可以提供满足所需EMC标准的产品。
如果我们考虑电流谐波，我们会看到一个非常不同的画面:
这里我们有一个非常令人惊讶的扭曲程度——高达40%。这很有趣，但并不是那么重要。首先，在这种情况下，与电路所关心的电流相比，电流是低的。我们将这两个值描述为IL(负载电流)和ISC(短路电流)。当ISC足够高于IL时，电流的THD不重要。这样做的原因是，如果这些电流相差很大，电压谐波不太可能受到影响。这一概念被纳入IEEE 519标准(电力系统谐波控制推荐实践和要求)。
电气谐波的原因
在工业环境中，谐波失真的原因通常是操作中的电气设备。现代工业工厂包含许多可能导致整体扭曲的设备-一些明显的例子包括变频驱动器和由逆变器驱动的电动机。这些驱动器接受常规的交流电压和电流，将其转换为直流，然后创建一个可变频率输出，这样电机就可以更精确地控制。当电流被吸入逆变器时，它不是作为纯正弦波，而是不规则地吸收电流，为逆变器前端的组件充电。这种不规则的电流产生使电流失真，从而使电压失真。这些逆变器可用于驱动电机，作为工业过程的一部分，如泵送冷却或加热水，液体材料，移动输送机，或冷却风扇。其他类型的电子控制也将是这个过程的一部分，每一个都会造成一些扭曲。当所有这些设备都连接在同一个网络上时，失真将整体增加。
设备制造商有责任确保他们的设备不会产生不允许的失真水平，这就是为什么设备EMC标准到位，以防止这种情况。但在某些情况下，当用户在接近容量的电力网络上创建了高于预期的扭曲的独特组合时，扭曲可能会变得严重并影响其他设备。例如，旧的变压器在设计时并不一定考虑谐波，尽管工业电力电子技术引入已经有一段时间了，而且在它们的初始阶段，设施中的大多数负载都是线性的(电流和电压成正比——想象一个简单的电阻负载)。如果谐波很高，失真会导致旧变压器过热，这有两个问题。首先，产生的热量浪费能源，其次，它很可能损坏变压器，有时是灾难性的。
如何减少电力系统中的谐波
对此有两种可能的解决方案。
- 通过安装滤波器来减少谐波
- 更换高K系数的变压器，可以处理失真
这两种解决方案都有优点和成本影响。
- 安装滤波器可以证明是非常有效的经济和技术取决于谐波失真的来源。为了发现特定的源，需要对连接到系统的设备进行谐波测量。最好从最大的电子驱动器开始——考虑哪些设备的电流最高，比如大型驱动器或大功率UPS系统，以找出哪些设备的THD最高。在几天内收集尽可能多的谐波数据，看看THD是如何变化的，并确定最坏的情况。然后，这些数据可以与过滤器供应商共享，后者可以为每次负载提供合适的解决方案。这可能只是一两个设备造成的问题。最糟糕的情况是，您需要一个更大的系统，但是，同样，供应商可以提供合适的解决方案。
- 更换变压器更加困难。它仍然需要谐波测量来发现k因子——由谐波引起的加热效应。K因子是使用IEEE推荐的方法从谐波中推导出来的，但是，有一个合适的仪器可以为您计算这个。k系数额定变压器比标准变压器更昂贵，安装新变压器的停机时间可能是破坏性的，并造成大量停机时间。然而，在某些情况下，这可能是唯一可行的解决方案。
这里反复出现的主题是，测量决定一切。了解您的系统健康状况对于维护您的设备以获得最佳价值和保持合理的能源使用非常重要。电能质量调查应被视为日常维护，通过半定期测量，您可以发现可能发生的任何变化，从而发现潜在的问题并尽早解决它们。调查的间隔时间取决于用户的判断，但他们需要考虑他们对系统可靠性的期望——期望越高，调查就越有规律。这可以是每月一次，每季度一次，每半年一次，或者，如果你觉得你真的能控制的话，每年一次。如果你有组织，定期进行调查应该不是一件苦差事。
- 明智地选择测量位置。在网络上寻找设备可能导致问题的关键点，以及其中设备可能更敏感的关键点。
- 每次都安装在同一位置。
- 从设备操作人员那里倾听他们的经验，了解在他们的水平上发生了什么——他们拥有一些最好的信息。
- 观察趋势并进行比较，以获得简单的相关性。
- 保存历史数据。
- 文档添加、移动、更改和更新电气图。
- 测量并记录几天。一个小时只能告诉你当时发生了什么——你需要考虑超过一个典型的24小时来了解设备运行的节奏。
通过收集这些调查数据，您可以控制您的电气系统，在一个有效的庄园中操作它，并维护电气设备的寿命。