Гармонические искажения

В настоящее время большая часть бытовой техники является для электросети нелинейной нагрузкой.
Телевизоры, компьютеры, мониторы, муз. центры, адаптеры, зарядные устройства, энергосберегающие лампочки и многие другие бытовые приборы имеют выпрямитель или импульсный блок питания, искажающий форму тока.
В результате, дополнительно к основной частоте 50 гц, в сети появляются высшие кратные гармоники - 100 гц, 150 гц, 200 гц, 250 гц и.т.д...
Высшие гармоники тока на активной нагрузке выделяют активную мощность, но энергетически не связаны с источником (генератором) и являются потерями для энергосистемы. Мощность высших гармоник, как и реактивная, будет рассеиваться на активном сопротивлении проводов, кабелей, трансформаторов и линий электропередач в виде тепла и других негативных явлений в силовых установках сети (паразитный резонанс, вихревые токи и.т.д...).
Коэффициент мощности для нелинейных нагрузок определится из коэффициента гармоник соотношением:

DPF (Distortion Power Factor) - это тот же PF, но только для гармонических искажений, без учёта сдвига фаз.
THD (Total Harmonic Distortion) - коэффициент гармоник, равный отношению суммы квадратов тока или напряжения высших гармоник к квадрату тока (напряжения) основной гармоники.

В этом случае коэффициент мощности можно выразить, как отношение действующего значения тока основной гармоники к действующему значению тока в нагрузке.

Многие бытовые потребители снабжены симисторным регулятором мощности, который не только вносит гармонические искажения тока, но и сдвигает фазу основной гармоники тока, что приводит к дополнительным (фазовым) потерям. То есть, в таких случаях, коэффициент мощности определится не только коэффициентом искажений, но и сдвигом фазы основной гармоники.

Здесь cosφ ₁ - косинус угла сдвига фазы тока основной (первой) гармоники относительно напряжения сети.

Современные пылесосы и стиральные машины с симисторными регуляторами оборотов вносят весь комплекс искажений тока по причине наличия электродвигателя, как реактивной составляющей в нагрузке.
Тогда угол сдвига фаз для основной гармоники в расчётах увеличится с учётом общего сдвига тока индуктивностями обмоток двигателя.

Более существенные гармонические искажения в электросети возникают при использовании мощных сварочных преобразователей - инверторов, которые могут искажать не только форму тока, но и напряжения в сети. А это внесёт дополнительные потери мощности для всех других потребителей этой сети.

В общем случае для любых нагрузок, независимо от степени искажений и угла сдвига фаз, коэффициент мощности PF можно определить, как соотношение P/S, вычислив активную P и полную S мощности интегрированием тока и напряжения во времени, которое способны произвести современные цифровые измерительные приборы на основе микроконтроллеров.

Потребляемая (активная) мощность P - это среднее значение мощности в нагрузке за период, т.е среднеарифметическое всех мгновенных значений UI.
Полная мощность - это произведение среднеквадратичных значений напряжения сети и тока нагрузки.
Тогда коэффициент мощности вычисляется следующим образом:

В целях компенсации гармонических искажений, в электрические потребители, содержащие нелинейные элементы в силовых цепях, устанавливают специальные Корректоры Коэффициента Мощности (ККМ) - Power Factor Correction (PFC), которые могут быть как пассивными (фильтры L или LC), так и активными.
Активные PFC - это преобразователи, способные приблизить форму тока в нагрузке к синусоидальной, тем самым устранив (по возможности) высшие гармоники из общего спектра колебаний тока.

В качестве ознакомления можно посмотреть пример использования вышеописанных расчётных формул для варианта с симисторным управлением активной нагрузкой по ссылке ограничение мощности симистором.

10. В чем отличие системы ТN-С и ТN-S?

TN—C — нулевой рабочий и нулевой защитный проводники объединены в одном проводнике по всей системе (C — combined — объединённый).