מקורות להרמוניות ברשתות חשמל
מכיוון שאלמנטים לא ליניאריים נמצאים תמיד בחשמל מודרני, במיוחד ברשתות תעשייתיות, כתוצאה מכך, עקומות זרם ועקומות מתח מתעוותות, הרמוניות גבוהות יותר מופיעות ברשתות.
קודם כל, אי-סינוסואידיות נובעת מנוכחותם של ממירים סטטיים, ואז - גנרטורים סינכרוניים, מכונות ריתוך, מנורות פלורסנט, תנורי קשת, שנאים, מנועים ועומסים לא ליניאריים אחרים.
מבחינה מתמטית, ניתן לייצג את אי-סינוסואידאליות של עקומות הזרם והמתח כסכום ההרמונית הראשית של תדר הרשת וההרמוניות הגבוהות שלו שהן כפולות שלו. ניתוח הרמוני מביא לסדרת פורייה טריגונומטרית, וניתן לחשב בקלות את ערכי התדרים והשלבים של ההרמוניות המתקבלות באמצעות הנוסחה:
למעשה, השילוב המתקבל של מתחים וזרמים שאינם סינוסואידים ברשת תלת פאזית יכול להיות א-סימטרי או סימטרי.מערכת סימטרית של מתחים לא-סינוסואידים עבור כפולות של שלוש הרמוניות (k = 3n) מובילה להיווצרות מערכת של מתחים ברצף אפס.
יתר על כן, ב-k = 3n + 1, ההרמונית ברשת התלת-פאזית מייצרת מערכת סימטרית של מתחי רצף שליליים. אז כל k-הרמונית של מערכת סימטרית של מתחים לא-סינוסואידים מביאה למערכת סימטרית של מתחי פאזה ברצף ישיר, הפוך או אפס.
אולם בפועל, מערכת המתחים הלא-סינוסואידיים הפאזיים מתבררת כאסימטרית. כך, ליבות מגנטיות של שנאים תלת פאזיים עצמם, הם לא ליניאריים ואסימטריים, מכיוון שאורכים של הנתיבים המגנטיים עבור השלב האמצעי והסופי שונים בפקטור של 1.9. כתוצאה מכך, הערכים האפקטיביים של זרמי הממגנט של השלב האמצעי קטנים פי 1.3 - 1.55 מערכי הזרמים הממגנטים עבור השלבים הסופיים.
הרמוניות אסימטריות מפורקות לרכיבים סימטריים כאשר כל k-הרמונית יוצרת מערכת אסימטרית של מתחי פאזה ובדרך כלל מכילה רכיבים של שלושה רצפים - אפס, קדימה ואחורה.
רשתות תלת פאזיות עם נייטרלי מבודד מאופיינות בהיעדר רכיבים ברצף אפס בכל אחד מהשלבים, בתנאי שאין תקלות אדמה. כתוצאה מכך, אין כפולות של שלוש הרמוניות בזרמי הפאזה, אלא יש הרמוניות אחרות המכילות רכיבי רצף הפוך וחיובי.
למיישרים כוח, ככלל, בצד DC יש השראות גדולות, שהן פיתולי מכונת DC וכורי החלקה.השראות אלה גבוהות פי כמה מההשראות המקבילה של צד זרם החילופין, לכן מיישרים כאלה ביחס לרשת זרם החילופין מתנהגים כמקורות לזרם הרמוני גבוה יותר. לזרם המכוון לרשת בתדר הרמוני יש ערך שאינו תלוי בפרמטרים של רשת האספקה.
עבור רשתות חשמל תלת פאזיות, אופייני להשתמש במיישרי גל מלא תלת פאזי עבור 6 שסתומים כממירים כאלה, שמהם הם נקראים שישה פולסים או שישה פאזיים. ניתן לתאר את עקומת הזרם עבור כל אחד מהשלבים במקרה זה באמצעות המשוואה (עבור הזרם של שלב A אחד):
ניתן לראות כי זרמי הפאזה מכילים רק הרמוניות אי זוגיות שאינן כפולות של שלוש, והסימנים של הרמוניות אלו מתחלפות: הרמוניות חיוביות מסדר 6k + 1 והרמוניות שליליות מסדר 6k-1.
אם משתמשים במיישר בן שנים-עשר פאזים, כאשר זוג מיישרים שישה פאזים מחובר לזוג שנאים תלת-פאזיים (המתחים המשניים מוסטים פאזה ב-pi/6), אז הרמוניות של 12k + 1 ו-12k- 1-הזמנות יופיעו, בהתאמה.
לפני השימוש במיישרים, רק שנאים ומכונות חשמליות שונות היו המקור העיקרי להרמוניות גבוהות יותר ברשתות חשמל. אבל גם היום שנאים הם האלמנטים הנפוצים ביותר של רשתות חשמל.
הסיבה ששנאים יוצרים הרמוניות גבוהות יותר היא עקומת המגנטיזציה הלא ליניארית של המעגלים המגנטיים והנוכחות המתמדת של לולאות היסטרזיס… עקומת מגנט לא ליניארית ולופ היסטרזיס מייצרים עיוותים של זרם המגנט המקורי ללא עומס הסינוסואידי והתוצאה היא הרמוניות גבוהות יותר בזרם שהשנאי שואב מהרשת.
לשנאים בדרגת 110 קילו-וולט יש לא יותר מ-1% זרם ללא עומס, ושנאים בדרגת 6-10 קילו-וולט - לא יותר מ-2-3%. מדובר בזרמים קטנים וההפסדים הפעילים שלהם במעגל המגנטי זניחים. עקומת המגנטיזציה היא שחשובה, לא לולאת ההיסטרזיס.
עקומת המגנטיזציה היא סימטרית ואין אפילו הרמוניות בהרחבת סדרת פורייה. העיוות של הזרם הממגנט נגרם על ידי הרמוניות מוזרות, ביניהן כפולות של שלוש. ההרמונית השלישית בולטת במיוחד, אבל ההרמוניות החמישית והשביעית הן גם המשמעותיות ביותר.
הרמוניות EMF והרמוניות זרם אופייניות גם למנועים, גם סינכרוני וגם אסינכרוני... הרמוניות אלו נגרמות מאותן תופעות כמו הרמוניות זרם הנוצרות על ידי שנאים - חוסר הליניאריות של עקומת המגנטיזציה של החומרים מהם עשויים הסטטור והרוטור.
ספקטרום התדרים של הרמוניות זרם של מנועים חשמליים, כמו זה של שנאים, כולל הרמוניות מוזרות, שביניהם כמובן כפולות של שלוש. המשמעותיים ביותר כאן הן ההרמוניות ה-3, ה-5 וה-7.
כמו במקרה של שנאים, חישובים גסים מאפשרים לנו לקחת את אחוז הזרמים של ההרמונית ה-3, ה-5 וה-7 ב-40% עבור ההרמונית השלישית, 30% עבור ההרמונית החמישית ו-20% עבור ההרמונית השביעית (אחוז של זרם הסרק).