Mi okozza a harmonikusokat az elektromos rendszerekben?

Az elektromos rendszerekben fellépő harmonikusok olyan nemlineáris terhelések eredményeként jönnek létre, amelyek nem szinuszos hullámformát generálnak az áram- vagy feszültség-alakzatban az alternatív áramrendszerben. A harmonikusok olyan szinusz hullám komponensek, amelyek frekvenciája egész számú többszöröse a fundamentális frekvenciának. A következők az elektromos rendszerekben fellépő harmonikusok főbb okai:

Nemlineáris terhelés

A nemlineáris terhelések azok, ahol az áram nem lineárisan aránylik a feszültséghez. Ez a terheléstípus gyakori a villamos energiaszolgáltatásban, és a fő források a következők:

• Rectifier: Egy eszköz, amelyet az alternatív áram direktszíjú áramra történő konvertálásához használnak, mint például a tápegységek, a frekvencia alakítók stb.

• Switching power supply: A modern elektronikus berendezésekben gyakran használt tápegység, mint például a számítógépek tápegységei, a mobiltelefon töltők stb.

• Inverter: Egy eszköz, amelyet a direktszíjú áram alternatív áramra történő konvertálásához használnak, gyakran található a napelemparkokban, az elektromos járművek töltőállomásain stb.

• Variable frequency driver: egy eszköz, amelyet a motor sebességének vezérlésére használnak, széles körben alkalmazzák az ipari automatizálás területén.

• Arc welding machine: nemlineáris áram keletkezik a hegesztési folyamat során.

• Gas discharge lamps: mint például a fluoreszcens lámpák, a magas nyomású nátriumlámpák stb., harmonikusokat termelnek indításuk és működésük során.

Hatalmi elektronikai berendezések

A hatalmi elektronikai berendezések, amelyek széles körben alkalmazottak a modern villamos energiaszolgáltatásban, is fontos harmonikusok forrásai:

• Frequency converter: amit az AC motor sebességének és nyomatékának vezérlésére használnak, működési elvük harmonikusokat termel.

• UPS (Uninterruptible Power Supply) : harmonikusokat termel, amikor átkapcsol a batériummal ellátott módra.

• Converter: egy eszköz, amelyet az alternatív áram frekvenciájának módosítására használnak, mint például a szélenergia-termelésben használt konverter.

Motors and transformers

Még a hagyományos motorok és transzformátorokban is kisebb mértékben harmonikusok léphetnek fel, például a mágneses telítettség hatására:

• Motors: különösen az indítási fázisban harmonikusokat termelhetnek a nemlineáris mágneses görbe hatására.

• Transformer: amikor a transzformátor a telített tartományban működik, harmonikusokat termel.

Problems with the grid itself

• Unbalanced load: egy háromfázis rendszerben egy nem egyenletes terhelés harmonikusokat tartalmazó neutrális áramot okozhat.

• Long-distance transmission: a hosszú távú továbbítás során a vonal induktanciája és kapacitanciája harmonikusok erősítését okozhatja.

Other factors

• Aging of power equipment: régi hatalmi berendezések további harmonikusokat termelhetnek belső komponensek romlása miatt.

• Design Flaws: rosszul tervezett hatalmi rendszerek harmonikusok erősítését vagy előidézését okozhatják.

Harmonic effect

A harmonikusok számos kedvezőtlen hatást okozhatnak a hatalmi rendszerekre, beleértve, de nem korlátozva:

• Increased equipment losses: a harmonikusok további veszteségeket okozhatnak a motorokban, transzformátorokban és más berendezésekben, rövidítve az élettartamukat.

• Reduce system efficiency: a harmonikusok csökkenthetik a rendszer hatékonyságát és növelhetik az energiafelhasználást.

• Affect the measurement accuracy: a harmonikusok zavarhatják az energia-mérő mérési pontosságát, ami helytelen villamos energia díjszabását eredményezheti.

• Interference with the communication system: a harmonikusok zavarhatják a kommunikációs rendszert, ami a jelátviteli minőséget befolyásolhatja.

• Triggering resonance: bizonyos esetekben a harmonikusok rezonanciát okozhatnak a rendszer induktort és kondenzátoraival, ami súlyos villamos energia minőségi problémákat okozhat.

Harmonic suppression measure

A harmonikusok hatásának csökkentése érdekében általában a következő intézkedéseket hajtanak végre:

• Filters: passzív vagy aktív szűrőket telepítenek, hogy harmonikusokat absorbiáljanak vagy ellensúlyozzanak.

• Increase the inductance of the load: a terhelés induktanciájának növelésével harmonikusokat szüntethetünk meg.

• Improve load characteristics: alacsony harmonikus-tartalommal rendelkező terhelést használunk, mint például háromfázis rectifiert használunk egyfázis rectifier helyett.

• Dynamic reactive power compensation: SVG (statikus reaktív teljesítmény-generátor) használatával dinamikus reaktív teljesítmény-kiegyenlítést végeznek.

Sum up

Az elektromos rendszerekben fellépő harmonikusok főleg nemlineáris terhelések, mint például rectifierek, switching power supplies, inverters, variable frequency drivers stb. eredményeként jönnek létre. A harmonikusok negatívan befolyásolhatják a hatalmi rendszer teljesítményét és megbízhatóságát, ezért szükséges megfelelő intézkedéseket tenni a harmonikusok elnyomására vagy kiküszöbölésére.