Mitä harmoniset ovat sähköjärjestelmissä, ja mikä niitä aiheuttaa?

Sähköjärjestelmässä harmoniset viittavat komponentteihin, joiden taajuisuudet ovat kertalukujen monikertoja perustaaaltotaajuuden yli. Ne saadaan hajottamalla jaksollinen ei-sinusoidaalisia vaihtovirtaa Fourier-sarjan avulla, ja niitä kutsutaan yleensä korkeampiin harmonisiin.

Harmonisten pääasialliset syyt ovat seuraavat:

• Epälineaaristen kuormien olemassaolo: Tämä on harmonisten syntymisen ensisijainen syy. Esimerkiksi voimasähkölaitteet, kuten suodattimet, inverterit ja taajuusmuunnokset, sisältävät semanttisiä laitteita, jotka vahingoittavat virta- ja jännitekuviota toiminnassaan, minkä seurauksena syntyy harmonisia. Suodattimen esimerkkinä käytettäessä, joka muuttaa vaihtovirran suoraan virraksi, syntyvä virta näyttää epäsineillistä kuvausta ja sisältää paljon harmonisia komponentteja. Lisäksi kaariuuni- ja huoltovalojen kaltaiset laitteet ovat myös yleisiä epälineaarisia kuormia. Teräksen valmistuksessa kaariuunissa kaaren epävakaus johtaa virran heilahteluihin ja harmonisten syntymiseen. Huoltovaloissa balanssin vuoksi virtakuvaus tulee vahingoittuneeksi, mikä luo harmonisia.

• Muuntajan tarmovirta: Kun muuntaja toimii, sen rautaydin magneettinen tarmominen aiheuttaa tarmovirran muuttumisen epäsineiliseksi, mikä luo harmonisia. Erityisesti tyhjällä tai keveällä kuormituksella kytketty muuntaja tuottaa tarmovirtaan enemmän havaittavia harmonisia komponentteja.

• Voimalähteen epätasapaino: Kun kolmivaiheisen voimalähteen kuormitus on epätasapainossa, se johtaa virta- ja jännitekuvioiden epäsuhdanteeseen, mikä luo harmonisia. Esimerkiksi teollisuuskohdissa, eri laitteiden yhdistelmässä voi tapahtua kolmivaiheisen kuorman epätasapainoa, mikä johtaa harmonisten ilmestyminen voimaannustimeen.

Harmoniset voivat aiheuttaa lisää lämpöä ja suurempia häviöitä sähkölaitteissa, vaikuttaen niiden normaaliin toimintaan ja käyttöikään. Ne voivat myös häiritä viestintäjärjestelmiä, herättää resonansseja voimaannustimeen ja muita ongelmia. Siksi tarvitaan vastaavia toimenpiteitä niiden hoitoon.