סיבות להופעת הרמוניות גבוהות יותר במערכות חשמל מודרניות
הציוד החשמלי של העולם המודרני הופך יותר ויותר מורכב, במיוחד עבור טכנולוגיות IT. בגלל מגמה זו, מערכות אבטחת איכות החשמל חייבות לעמוד בדרישות הללו: הן פשוט חייבות להתמודד בקלות עם תנודות, נחשולי מתח, נפילות מתח, רעש, רעשי דחף וכו', כך שהרשת התעשייתית והמשתמשים הקשורים בה יוכלו לתפקד כרגיל.
עיצוב מחדש של מתח הרשת עקב הרמוניה הנגרמת על ידי עומסים לא ליניאריים היא אחת הבעיות העיקריות שיש לפתור. במאמר זה, נבחן את ההיבטים המעמיקים של בעיה זו.
מהי מהות הבעיה
החלק העיקרי של הציוד המשרדי הנוכחי, מחשבים, ציוד משרדי, מולטימדיה הם בדרך כלל עומסים לא ליניאריים, המחוברים ברשת החשמל המשותפת בכמויות עצומות, מעוותים את צורת מתח הרשת.
המתח המעוות הזה נתפס בכאב על ידי מכשירים חשמליים אחרים ולעיתים משבש באופן משמעותי את פעולתם הרגילה: הוא גורם לתקלות, התחממות יתר, שובר סנכרון, יוצר הפרעות ברשתות העברת נתונים, - באופן כללי, מתח חילופין לא סינוסואידי עלול לגרום למגוון שלם של ציוד , תהליכים ואי נוחות לאנשים, כולל חומר.
עיוות המתח ככזה מתואר על ידי זוג מקדמים: הגורם הסינוסואידאלי, המשקף את היחס בין ערך ה-rms של ההרמוניות הגבוהות לערך ה-rms של ההרמוניה הבסיסית של מתח הרשת, ומקדם העומס, שווה ל- יחס בין צריכת שיא הזרם לזרם העומס האפקטיבי.
מדוע הרמוניות גבוהות יותר מסוכנות?
ניתן לחלק את ההשפעות הנגרמות מביטוי הרמוניות גבוהות יותר לפי משך החשיפה לטווח מיידי ולטווח ארוך. מקובל להזכיר מיידי: עיוות צורת מתח אספקה, נפילת מתח ברשת ההפצה, השפעות הרמוניות כולל תהודה של תדר הרמוני, הפרעות מזיקות ברשתות העברת נתונים, רעש בטווח האקוסטי, רטט של מכונות. בעיות ארוכות טווח כוללות: הפסדי חום מוגזמים בגנראטורים ושנאים, התחממות יתר של קבלים ורשתות הפצה (חוטים).
הרמוניה וצורת מתח קו
זרמי שיא משמעותיים במחצית מגל הסינוס של הרשת מובילים לעלייה בגורם הקרסט.ככל שזרם השיא גבוה וקצר יותר, כך העיוות חזק יותר, בעוד שמקדם המסרק תלוי ביכולות של מקור הכוח, בהתנגדות הפנימית שלו – האם הוא מסוגל לספק זרם שיא כזה. מקורות מסוימים חייבים להיות מוערכים יתר על המידה ביחס להספק המדורג שלהם, למשל יש להשתמש בפיתולים מיוחדים בגנרטורים.
אבל ספקי כוח אל פסק (UPS) מתמודדים עם בעיה זו הרבה יותר טוב: בשל ההמרה הכפולה, הם מסוגלים לשלוט בזרם העומס בכל רגע ולווסת אותו באמצעות PWM, מה שמונע בעיות עקב מקדם המסרק הגבוה של הזרם . במילים אחרות, המקדם הגבוה אינו מהווה בעיה עבור UPS איכותי.
הרמוניות גבוהות יותר ונפילת מתח
כפי שצוין לעיל, UPS מטפלים היטב בגורמי פס גבוה ועיוות צורת הגל שלהם אינו עולה על 6%. חיבור חוטים כאן, ככלל, לא משנה, הם די קצרים. אך בשל ריבוי הרמוניות במתח הקו, צורת הגל הנוכחית תסטה מסינוסי, במיוחד עבור הרמוניות בתדר גבוה מוזרות המוכנסות על ידי מיישרים חד פאזיים ותלת פאזיים (ראה איור).
העכבה המורכבת של רשת ההפצה היא בדרך כלל אופי אינדוקטיבילפיכך, הרמוניות זרם בכמויות גדולות יובילו לירידות מתח משמעותיות בקווים באורך 100 מטר, וירידות אלו עלולות לעלות על המותרות, וכתוצאה מכך צורת המתח על העומס תתעוות.
כדוגמה, שימו לב כיצד זרם המוצא של מיישר דיודה חד פאזי משתנה בעכבות רשת שונות, בהתאם להתנגדות של מסנן הקלט של מכשיר מופעל עם כניסה ללא שנאי, וכיצד זה משפיע על צורת גל המתח.
הבעיה של כפולות הרמוניות של השלישי
שלישי, תשיעי, חמש עשרה וכו'. - ההרמוניות הגבוהות יותר של זרם החשמל מאופיינות במקדמי משרעת גבוהים. הרמוניות אלו נובעות מעומסים חד פאזיים והשפעתם על מערכות תלת פאזיות היא ספציפית למדי. אם המערכת התלת פאזית היא סימטרית, הזרמים נעקרים זה מזה ב-120 מעלות, והזרם הכולל בחוט הנייטרלי הוא אפס, - אין נפילת מתח על החוט.
זה נכון בתיאוריה עבור רוב ההרמוניות, אך חלק מההרמוניות מאופיינות בסיבוב של הווקטור הנוכחי באותו כיוון כמו הווקטור הנוכחי של ההרמונית הבסיסית. כתוצאה מכך, בניוטרל ההרמוניות האי-זוגיות שהן כפולות של השלישית מונחות זו על גבי זו. ומכיוון שההרמוניות הללו הן הרוב, הזרם הנייטרלי הכולל יכול לעלות על זרמי הפאזה: נניח, זרמי פאזה של 20 אמפר יתנו זרם ניטרלי בתדר של 150 הרץ ב-30 אמפר.
כבל שתוכנן מבלי לקחת בחשבון את ההשפעה של הרמוניות עלול להתחמם יתר על המידה, כי לפי דעתו, צריך היה להגדיל את החתך שלו. כפולות הרמוניות של השלישי מתקזזות במעגל תלת פאזי ב-360 מעלות זו לזו.
תהודה, הפרעות, רעש, רטט, חימום
לרשתות הפצה יש סכנת תהודה בהרמוניות גבוהות יותר של זרם או מתח, במקרים אלו הרכיב ההרמוני מתברר כאתר גבוה מהתדר הבסיסי, מה שמשפיע לרעה על רכיבי המערכת והציוד.
רשתות העברת נתונים הממוקמות בסמוך לקווי חשמל שדרכם זורמים זרמים בעלי הרמוניות גבוהות יותר נתונים להפרעות, אות המידע בהן מתדרדר, בעוד שככל שהמרחק מהקו לרשת קצר יותר, אורך החיבור שלהם גדול יותר, כך עולה תדר הרמוני - ככל שאות מידע העיוות גדול יותר.
רובוטריקים ומשנקים מתחילים לעשות יותר רעש עקב הרמוניה גבוהה יותר, מנועים חשמליים חווים פעימות בשטף המגנטי, וכתוצאה מכך תנודות מומנט על הציר. מכונות חשמל ושנאים מתחממים יתר על המידה ומתרחשים הפסדי חום. בקבלים, זווית ההפסד הדיאלקטרי גדלה בתדירות גבוהה יותר מהרשת, והם מתחילים להתחמם יתר על המידה, התמוטטות דיאלקטרית עלולה להתרחש. מיותר לדבר על ההפסדים בקווים עקב העלייה בטמפרטורה שלהם ...