Czy zauważyłeś dziwne zjawisko: możemy wykryć w sieci energetycznej harmoniczne-nieparzystego rzędu, np. 3., 5. i 7. harmoniczna, ale prawie nigdy nie zauważamy harmonicznych-parzystego rzędu, np. 2., 4. i 6. harmoniczna? Dlaczego to jest? Czy harmoniczne-parzystego rzędu są z natury niemożliwe do wykrycia?
Co to są harmoniczne sieci energetycznej?
Aby zrozumieć, dlaczego harmoniczne-parzystego rzędu są rzadkie, musimy najpierw zrozumieć, czym właściwie są „harmoniczne”. Prąd przemienny, którego używamy, to w idealnym przypadku standardowa fala sinusoidalna o stałej częstotliwości 50 Hz, która nazywana jest „falą podstawową”, podobnie jak „główna melodia” w muzyce.
W rzeczywistości wiele urządzeń elektrycznych nie „posłusznie wykonuje polecenia”-takich jak oświetlenie LED, ładowarki do telefonów komórkowych, zasilacze do laptopów i klimatyzatory. Są to „urządzenia-nieliniowe” i nie działają zgodnie z rytmem fali podstawowej. Zamiast tego „interferują” z falą podstawową, „zaginając” gładką falę sinusoidalną w dziwne kształty.
Te zniekształcone przebiegi, rozbite przy użyciu matematycznej metody „rozkładu Fouriera”, ujawniają, że w rzeczywistości składają się z częstotliwości podstawowej (50 Hz) i szeregu „harmonicznych”, których częstotliwości są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. Na przykład trzecia harmoniczna to 150 Hz (50 × 3), piąta harmoniczna to 250 Hz (50 × 5), a harmoniczne-rzędu parzystego to przebiegi o częstotliwościach będących nawet wielokrotnościami częstotliwości podstawowej, np. 100 Hz (2.) i 200 Hz (4.).
Technologia pełnego-prostownika mostkowego „eliminuje” harmoniczne-parzystego rzędu.
Dlaczego prawie nigdy nie widzimy harmonicznych-parzystego rzędu? Klucz polega na tym, że większość urządzeń nieliniowych dostępnych obecnie na rynku wykorzystuje podstawową technologię zwaną „pełnym-prostowaniem mostka”-jest to „ukryta operacja” otaczających nas urządzeń elektrycznych i ważny powód, dla którego harmoniczne rzędu parzystego są rzadkie.
Co to jest pełne-prostowanie mostka? Można to zrozumieć za pomocą prostej analogii: prąd przemienny w sieci energetycznej jest jak fala, która wznosi się i opada, przy czym dodatni pół-cyklu rośnie, a ujemny pół-cyklu maleje, przy czym kierunek stale się zmienia; podczas gdy pełne-prostowanie mostkowe przypomina „przetwornik kształtu fali”, który może „korygować” kierunek prądu, niezależnie od tego, czy prąd jest w dodatniej, czy ujemnej połowie-cyklu, i przekształcić go w prąd stały (lub pulsujący prąd stały) w tym samym kierunku, podobnie jak spłaszczanie falistych fal w jednokierunkowy przepływ wody.
Oświetlenie LED, ładowarki do telefonów komórkowych, zasilacze komputerowe, a nawet klimatyzatory i pralki w naszych domach prawie wszystkie korzystają z technologii pełnego-prostowania mostkowego, więc generowane przez nie harmoniczne są-nieparzystego porządku, a nawet-harmoniczne porządku są naturalnie trudne do zauważenia.
Harmoniczne-parzystego rzędu występują tylko wtedy, gdy kształt fali jest asymetryczny
Oczywiście harmoniczne-parzystego rzędu nie są całkowicie nieistniejące, ale są niezwykle rzadkie w nowoczesnych sieciach elektroenergetycznych. Harmoniczne-parzystego rzędu pojawiają się tylko wtedy, gdy kształt fali w sieci elektroenergetycznej jest „asymetryczny” i istnieją dwa typowe scenariusze:
- Pierwszy typ obejmuje sprzęt wykorzystujący technologię „rektyfikacji półfalowej”. W przeciwieństwie do pełnego-prostowania mostkowego, prostowanie pół-fali wykorzystuje tylko dodatnią (lub ujemną) połowę-cyklu prądu przemiennego, odrzucając drugą połowę kształtu fali. Powoduje to asymetryczny przebieg, prowadzący do harmonicznych-parzystego rzędu po rozkładzie Fouriera. Jednak prostowanie-półfalowe jest wyjątkowo nieefektywne i powoduje marnowanie znacznej ilości energii. Został on całkowicie wycofany w wyniku pełnego-prostowania mostka i jest stosowany tylko w niektórych bardzo starych, prawie przestarzałych urządzeniach (takich jak ładowarki sprzed kilkudziesięciu lat), co utrudnia jego wykrycie w sieci energetycznej.
Drugi typ to awaria sprzętu. Na przykład uszkodzona dioda prostownicza w urządzeniu może uniemożliwić normalną konwersję między dodatnią i ujemną pół-cyklu, powodując asymetryczny kształt fali i generowanie harmonicznych-parzystego rzędu. Jest to jednak stan powodujący usterkę; gdy to nastąpi, urządzenie zwykle działa nieprawidłowo lub uruchamia mechanizm zabezpieczający i nie ma długoterminowego-wpływu na sieć energetyczną, co utrudnia jego wykrycie.
Harmoniczne mogą powodować poważne zakłócenia i uszkodzenia systemów elektroenergetycznych, a w poważnych przypadkach mogą nawet prowadzić do paraliżu systemu elektroenergetycznego.
Dlaczego harmoniczne-parzystego rzędu są „rzadkie”?
Mówiąc najprościej, harmoniczne-parzystego rzędu są prawie niewidoczne w sieci elektroenergetycznej, głównie ze względu na powszechne przyjęcie „technologii pełnego-prostowania mostkowego”: dzięki niej kształt fali generowanej przez urządzenia elektryczne jest symetryczny, a przebiegów symetrycznych nie można rozłożyć na harmoniczne-parzystego rzędu, co oznacza, że normalny sprzęt nie generuje harmonicznych-parzystego rzędu; ponadto same transformatory w systemie elektroenergetycznym mają pewną zdolność tłumienia harmonicznych-parzystego rzędu.
Czy istnieją liczniki energii elektrycznej, które eliminują harmoniczne?
Ściśle mówiąc, żaden licznik energii elektrycznej nie jest w stanie „wyeliminować” harmonicznych. Zadaniem licznika energii elektrycznej jest „liczenie”, a nie „zarządzanie”. Chociaż liczniki energii elektrycznej nie eliminują harmonicznych, w systemie elektroenergetycznym rzeczywiście istnieją urządzenia zaprojektowane specjalnie do „eliminowania” harmonicznych; nazywane są one filtrami.
Ostatnie badania wskazują, że zainstalowanie odpowiednich filtrów na froncie liczników energii elektrycznej może skutecznie zmniejszyć wpływ harmonicznych na dokładność pomiaru.