Mis põhjustab harmoonikuid elektrisüsteemides?

Elektrilistes harmonikad on põhjustatud mittelineaarsete laodude poolt, mis toovad kaasa mitte-sinusoidseid võrgusisu ja -pingevormeid vahelduvvoolu süsteemides. Harmonikad on siinusekomponendid, mille sagedused on algsageduse täisarvulised kordajad. Järgmised on peamised elektriliste süsteemide harmonikate põhjustajad:

Mittelineaarne laod

Mittelineaarsed laod on need, kus võrgusis ei ole lineaarselt seotud pingega. See tüüp laodu on tavaline võrgusüsteemides, ja peamised allikad hõlmavad:

• Rectifikaator: seade, mida kasutatakse vahelduvvoolu ümber teisendamiseks otsivooluks, näiteks jõulaaadress, sageduse muundaja jne.

• Lülituspõhine toiteallikas: toiteallikas, mida tavaliselt kasutatakse tänapäevases elektronikaseadmetes, näiteks arvuti toiteallikates, nutitelefonide laetajates jne.

• Inverteerija: seade, mida kasutatakse otsivoolu vahelduvvooluks teisendamiseks, tavaliselt leitav päikesefotoelektrilistes süsteemides, elektriauto laetamise statsioonides jne.

• Muutuvfrekventsiline juhtimissüsteem: seade, mida kasutatakse mootori kiiruse reguleerimiseks, laialdaselt kasutatav tööstusautomaatikas.

• Tööriistaleevikute masin: mittelineaarne võrgusis tekib leevikutamise protsessi ajal.

• Gasi väljastavad lampid: nagu fluoretsentlambid, kõrgepingelised natriumlambid jne, tekitavad harmonikaid käivitamise ja töötamise ajal.

Energiaelektronika seadmed

Laialdaselt kasutatavad energiaelektronika seadmed modernsetes võrgusüsteemides on ka olulised harmonikate allikad:

• Sageduse muundaja: kasutatakse AC-mootori kiiruse ja momenti kontrollimiseks, tema tööpõhimõte toob kaasa harmonikate tekkimise.

• Pidev toitevarustus (UPS): harmonikad tekivad akupööre käivitamisel.

• Konverter: seade, mida kasutatakse vahelduvvoolu sageduse muutmiseks, näiteks tuuleenergia genereerimises kasutatav konverter.

Moodulid ja transformatoorid

Isegi traditsioonilistes moodulites ja transformatoorides võivad esineda väikesed harmonikad magneetse sättumise mõju tõttu:

• Moodulid: eriti käivitamise faasis võivad mittelineaarse magnetiseerimiskäigu mõju tõttu tekkida harmonikad.

• Transformatoor: kui transformatoor töötab sättunud piirkonnas, tekivad ka harmonikad.

Võrgu enda probleemid

• Ebatasakaalune laod: kolme-faasilises süsteemis võib ebatasakaaluline laod põhjustada neutraali võrgusis sisaldama harmonikaid.

• Pikkkauguse edastamine: pikkkauguse edastamisel võivad joone induktiivsus ja kapatsiitne mõju viia harmonikate suurendumiseni.

Muud tegurid

• Energiatehnika vananemine: vananenud energiatehnika võib toota lisaharmonikaid sisemiste komponentide degradatsiooni tõttu.

• Projekteerimise puudujäägid: halvalt disainitud energiasüsteemid võivad viia harmonikate suurendumiseni või tekkimiseni.

Harmonikate mõju

Harmonikad võivad põhjustada mitmesuguseid negatiivseid mõjusid energiasüsteemidel, sealhulgas, kuid mitte ainult:

• Seadmete kulude suurenemine: harmonikad võivad põhjustada motorite, transformatooride ja teiste seadmete lisakulude, lühendades nende kasutusaega.

• Süsteemi efektiivsuse vähenemine: harmonikad võivad vähendada süsteemi efektiivsust ja suurendada energiatarbimist.

• Mõju mõõtmistäpsusele: harmonikad segavad energiamõõduri mõõtmistäpsust, põhjustades elektriarve vale arvutamise.

• Segamine side-süsteemiga: harmonikad põhjustavad side-süsteemi segamist, mõjutades signaali edastamise kvaliteeti.

• Resonantsi tekitamine: mõnikord võivad harmonikad resoonida süsteemi induktiivsete ja kapatsiitsete elemenditega, põhjustades tõsiseid energiakvaliteedi probleeme.

Harmonikate vähendamise meetmed

Harmonikate mõju vähendamiseks tavaliselt kasutatakse järgmisi meetmeid:

• Filtrid: paigaldatakse passiivseid või aktiivseid filtreid, et absorbere või vastandada harmonikaid.

• Laodu induktiivsuse suurendamine: laodu induktiivsuse suurendamise kaudu harmonikate vähendamiseks.

• Laodukarakteristikute parandamine: kasutatakse madala harmonikasisu omaga laodu, näiteks kolme-faasilist rectifikaatorit ühe-faasilise asemel.

• Dünaamiline reaktiivne võimsuse kompenseerimine: kasutatakse SVG (statiline reaktiivne võimsuse generaator) selliste kui dünaamilise reaktiivse võimsuse kompenseerimiseks.

Kokkuvõte

Elektrilistes süsteemides esinevad harmonikad peamiselt mittelineaarsete laodute tõttu, nagu rectifikaatorid, lülituspõhised toiteallikad, inverteerijad, muutuvfrekventsilised juhtimissüsteemid jne. Harmonikad võivad negatiivselt mõjutada energiasüsteemi toimimist ja usaldusväärsust, seega on vaja võtta sobivaid meetmeid nende vähendamiseks või likvideerimiseks.