Co to są harmoniczne w systemach elektrycznych i co je powoduje?

W systemie elektrycznym harmoniki to składowe o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej uzyskane przez rozkład okresowej nieharmonicznej wielkości zmiennoprądowej za pomocą szeregu Fouriera, i są one zwykle nazywane wyższymi harmonicznymi.

Główne przyczyny powstawania harmonik są następujące:

• Istnienie obciążeń nieliniowych: To jest główną przyczyną generowania harmonik. Na przykład, urządzenia elektroniki mocy, w tym prostownice, odwracacze i konwertery częstotliwości, półprzewodnikowe elementy w nich zawarte deformują fale prądowe i napięciowe podczas działania, generując harmoniki. Weźmy na przykład prostownik. Konwertuje on prąd zmienny na prąd stały. W trakcie procesu konwersji, prąd wejściowy będzie miał formę falową nieharmonijną i będzie zawierał dużą ilość składowych harmonicznych. Ponadto, urządzenia takie jak piecyki łukowe i lampy fluorescencyjne są również typowymi obciążeniami nieliniowymi. W procesie produkcji stali w piecu łukowym, niestabilność łuku prowadzi do fluktuacji prądu i generowania harmonik. Ze względu na działanie balastu w lampie fluorescencyjnej, fala prądowa również zostanie zdeformowana, co prowadzi do generowania harmonik.

• Prąd pobudzający transformatorów: Gdy transformator jest w użyciu, występuje nasycenie magnetyczne jego rdzenia, co powoduje, że prąd pobudzający przestaje być falą sinusoidalną, generując harmoniki. Szczególnie, gdy transformator jest włączany bez obciążenia lub działa przy małym obciążeniu, składowe harmoniczne w prądzie pobudzającym będą bardziej widoczne.

• Niebilansowanie systemu zasilania: Gdy obciążenia każdej fazy w systemie zasilania trójfazowego są niezbalansowane, prowadzi to do asymetrii prądu i napięcia, generując harmoniki. Na przykład, na niektórych terenach przemysłowych, ze względu na różne urządzenia podłączone do każdej fazy, może wystąpić sytuacja niezbalansowania obciążeń trójfazowych, powodując pojawienie się harmonik w systemie zasilania.

Harmoniki mogą powodować zwiększone ogrzewanie i większe straty w urządzeniach elektrycznych, wpływając na ich normalne działanie i żywotność. Mogą one również zakłócać systemy komunikacyjne i wywoływać rezonanse w systemie zasilania oraz inne problemy. Dlatego należy podjąć odpowiednie środki w celu ich eliminacji.