Περί αρμονικών

[Τρελός Επιστήμων]

Αδέρφια μου, αλήτες, πουλιά. Λοιπόν, από ότι έχω καταλάβει:

1) Οποιαδήποτε κυματομορφή τάσης ή ρεύματος - στην ουσία το ρεύμα μας ενδιαφέρει, δηλαδή το αποτέλεσμα της τάσης -  η οποία ΔΕΝ είναι ημιτονοειδής, δηλαδή οποιαδήποτε περιοδική κυματομορφή εκτός του ημιτόνου (και συνημιτόνου, τα ίδια είναι), περιέχει ανώτερες αρμονικές συνιστώσες.

2) Όταν λέμε ανώτερες αρμονικές συνιστώσες ή απλά αρμονικές συνιστώσες (το <<ανώτερες>> το χρησιμοποιούμε για να τις ξεχωρίσουμε από τη θεμελιώδη αρμονική συνιστώσα που αναλύουμε στη συνέχεια) εννοούμε ημιτονοειδείς (ναι, σωστά, ημιτονοειδείς) κυματομορφές μικρότερου πλάτους και πολλαπλάσιας συχνότητας από τη βασική συνιστώσα.

3) Όταν λέμε βασική συνιστώσα ή θεμελιώδη συνιστώσα ή όπως αλλιώς τελοσπάντων, εννοούμε την ημιτονοειδή κυματομορφή, η οποία στο μίγμα των αρμονικών συνιστωσών που απαρτίζουν την ΑΡΧΙΚΗ περιοδική μας κυματομορφή (βλ. το 4)), κατέχει το μεγαλύτερο ποσοστό. Π.χ. η βασική ή θεμελιώδης αρμονική συνιστώσα μιας τριγωνικής περιοδικής κυματομορφής, είναι η ημιτονοειδής κυματομορφή με συχνότητα ίδια με αυτή της τριγωνικής κυματομορφής.

4) Ο φίλος ο Fourier μας έδειξε ότι κάθε περιοδική κυματομορφή, μπορεί να αναλυθεί σε ένα άθροισμα ημιτονοειδών κυματομορφών διαφορετικού πλάτους και συχνότητας (συν μια σταθερή τιμή, ή αλλιώς συν μια DC συνιστώσα). Για να το κάνω πιο λιανό βλέπε παρακάτω φωτογραφίες:

                                              

                 

                                          

5) Καθότι λοιπόν οι αρμονικές συνιστώσες του ρεύματος είναι μικρά επιπρόσθετα ημιτονάκια, σε πολλές χρονικές στιγμές, αυτά τα ημιτονάκια του ρεύματος, τυχαίνει να έχουν αντίθετο πρόσημο από την τάση μας και σε άλλες χρονικές στιγμές τυγχάνει να έχουν ίδιο πρόσημο με την τάση μας, με άμεσο αποτέλεσμα στην ισχύ που εγχέεται ή απορροφάται από το δίκτυο (μην ξεχνάτε πως P=V*I και πως πρέπει να υπάρχει μια συνέπεια με το πρόσημο του γινομένου V*I). Για να είμαστε πιο ακριβείς τα ημιτονάκια αυτά αυξάνουν την τιμή του RMS ρεύματος χωρίς να υπάρχει μια αντίστοιχη αύξηση στην ισχύ που καταναλώνεται ή παράγεται, αναλόγως την περίσταση. Επομένως τα ημιτονάκια αυτά, ή αλλιώς αρμονικές, συμμετέχουν άμεσα στην αναλογία ενεργού ισχύος προς τη φαινόμενη ισχύ, δηλαδή στο συντελεστή ισχύος, και για να είμαστε και ακριβείς: Σ.Ι.=(συντελεστής παραμόρφωσης λόγω αρμονικών)*cosφ και όχι απλά Σ.Ι.=cosφ. Ο συντελεστής παραμόρφωσης (distortion factor) είναι άμεσα συνδεδεμένος με το THD όπως φαίνεται στην παραχάμω εικόνα (το THD είναι ένας δείκτης που μας δείχνει πόσο τοις εκατό συμμετέχουν οι ανώτερες αρμονικές στην εκάστοτε περιοδική μας κυματομορφή, επομένως όσο μεγαλύτερο ποσοστό THD τόσο πιο πολλές ανεπιθύμητες αρμονικές έχουμε):

                                                      

Πηγή: https://www.ieee.li/pdf/introduction_to_power_electronics/chapter_16.pdf

6) Το THD είναι λοιπόν όπως είπαμε στο 5) ένας δείκτης αρμονικών. Ε, αυτό το THD λοιπόν, το μετράει το Fluke, το θυμάμαι από ένα εργαστήριο που είχαμε στο Πολυτεχνείο. Θα υπάρχουν και άλλες συσκευές που το μετράνε, αλλά το Fluke το μετράει.

7) Οι αρμονικές προκαλούν επίσης φαινόμενα συντονισμού (ανεπιθύμητο, θυμηθείτε τι πάθαν οι στρατιώτες με τη γέφυρα). Τα υπόλοιπα προβλήματα που προκαλούν δεν τα ξέρω και μπορεί κανείς να τα διαβάσει στην ξένη βιβλιογραφία στο διαδίκτυο. Πάντως μόνο προβλήματα δημιουργούν, οπότε πάμε στο 8).

8 ) Για να προστατευθεί κάποιος από τις αρμονικές, μπορεί να χρησιμοποιήσει φίλτρα (πυκνωτές και πηνία, δεν ξέρω περαιτέρω) στην τροφοδοσία της ευαίσθητης εγκατάστασης ή μπορεί να τοποθετήσει online ή αλλιώς double-conversion UPS για να τροφοδοτήσει τη (μικρή) ευαίσθητη εγκατάσταση γιατί το online ή αλλιώς double-conversion UPS πρώτα ανορθώνει την τάση σε DC τάση και έπειτα χρησιμοποιεί αυτή την DC τάση για να παράξει AC τάση απαλλαγμένη από αρμονικές. Σκεφτείτε το σαν το ξέπλυμα του χρήματος... Περαιτέρω πληροφορίες για τρόπους προστασίας από αρμονικές θα βρείτε στο διαδίκτυο, εγώ κουράστηκα να γράφω. Αυτά.

Edited Ιανουάριος 30 , 2022 by Τρελός Επιστήμων
Προσθήκη πηγής και άλλων πολλών...

[VirusX2]

Μπράβο, το πέρασες το μάθημα;

[maneni]

ναι αλλά (νομίζω αναφέρθηκε προηγουμένως) οι αρμονικές συνήθως δημιουργούνται στην εγκατάσταση (δηλ από τα φορτία). Έτσι ναι μεν το UPS μπορεί να βγάζει καθαρό ημίτονο χωρίς πολλές αρμονικές αλλά τα φορτία που τροφοδοτεί να δημιουργούν αρμονικές.

Edited Ιανουάριος 31 , 2022 by maneni

[Τρελός Επιστήμων]

8 hours ago, VirusX2 said:

Μπράβο, το πέρασες το μάθημα;

Ναι. Άμα δυσκολεύεσαι το περνάω και για σένα.

8 hours ago, maneni said:

οι αρμονικές συνήθως δημιουργούνται στην εγκατάσταση (δηλ από τα φορτία). Έτσι ναι μεν το UPS μπορεί να βγάζει καθαρό ημίτονο χωρίς πολλές αρμονικές αλλά τα φορτία που τροφοδοτεί να δημιουργούν αρμονικές.

Σωστά. Το online UPS το βάζουμε για να προστατέψουμε την εγκατάσταση από αρμονικές που έρχονται από το εξωτερικό δίκτυο. Εννοείται ότι δεν μας προστατεύει το UPS από αρμονικές που δημιουργούνται μέσα στην εγκατάσταση  που τροφοδοτεί το UPS. Συγκεκριμένα για τους inverter, για να μην εγχέονται αρμονικές στην εγκατάσταση από την έξοδο του inverter σε γειτονικά καλώδια μέσω ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής, συνηθίζουμε να χρησιμοποιούμε θωρακισμένο καλώδιο στην έξοδο του inverter.

Δεν γνωρίζω ποια άλλα ηλεκτρονικά δημιουργούν αρμονικές. Τα dimmer ίσως...

[VirusX2]

Κλάμα.. 

[sotyris]

μέχρι ποιάς τάξης αρμονικών υπάρχουν σε μονοφασικό ρεύμα ?? Είναι μέχρι 11ης η παραπάνω ?? Αν πάρω μονοφασικά φίλτρα τα οποία καλύπτουν μέχρι 11ης τάξης θα με καλύψουν ??

[Τρελός Επιστήμων]

11ης τάξης σημαίνει αρμονικές 11x50Hz=550Hz. Τι θες να τροφοδοτήσεις με αυτή τη γραμμή;

[sotyris]

απλά θέλω να ξέρω κατά πόσο θα με καλύψουν τα παθητικά φίλτρα τα οποία λέει η εταιρία που τα έχει οτι καλύπτουν μέχρι 11ης τάξης αρμονική. αυτό που με ανυσηχεί είναι εάν τυχόν υπάρχουν μεγαλύτερες αρμονικές απο την 11η στο μονοφασικό σπίτι μου. εμπειρικά σε μονοφασικά σπίτια υπάρχουν υψηλές αρμονικές ?? η θα με καλύψουν πλήρως τα φίλτρα ?? θέλω να τροφοδοτήσω στην εγκατάσταση μου απλές ηλεκτρονικές συσκευές.

Edited Μάρτιος 4 , 2022 by sotyris

[Τρελός Επιστήμων]

Χωρίς να έχω μεγάλη εμπειρία επί του θέματος θα σου πω τα εξής (κάποιος με περισσότερη εμπειρία ίσως σε κατατοπίσει περεταίρω):

Όσο αυξάνεται η τάξη των αρμονικών, τόσο μειώνεται το πλάτος τους. Αυτό σημαίνει ότι οι αρμονικές ανώτερης τάξης (11ης και άνω π.χ.) θα έχουν ασήμαντο πλάτος. Γενικά δεν έχω ακούσει κάποιο πρόβλημα λόγω αρμονικών σε οικιακή σύνδεση στο δίκτυο του ΔΕΔΔΗΕ. Ακόμα και αν υπήρχε κάποιο τέτοιο θέμα, αν το φίλτρο σου φιλτράρει τις αρμονικές από 2η μέχρι και 11η τάξη είσαι κομπλέ καθώς οι άνω των 550 Hz θα έχουν ασήμαντο πλάτος. Αν θέλεις πες μου τι φίλτρο είναι αυτό γιατί μου κάνει εντύπωση το πως αφήνει να περάσουν η θεμελιώδης (50 Hz) και οι υψηλές (άνω της 11ης τάξης) συχνότητες όπως λες. Οι ηλεκρονικές συσκευές που τροφοδοτούνται από ρεύμα δικτύου και χρειάζονται προστασία από αρμονικές, συνήθως διαθέτουν εσωτερικά τους αυτή την προστασία κατά τη μετατροπή της τάσης του δικτύου σε τάση τροφοδοσίας της εκάστοτε συσκευής (τροφοδοτικά). Άρα δε νομίζω πως υπάρχει λόγος να τρελένεσαι, εκτός και αν έχεις κάποιο πιο συκεκριμένο λόγο να χρησιμοποιήσεις φίλτρο συχνοτήτων.

[sotyris]

σκέφτομαι να αγοράσω ενα online ups για να έχω το κεφάλι μου ήσηχο , ωστόσο ισχύει ότι μπορεί οι αρμονικές να το χαλάσουν ?? η δεν επηρεάζεται ?? Το online ups προστατεύει απο πολλές διαταραχές του ρεύματος και όχι μόνο απο αρμονικές οπότε είναι μια καλή επιλογή. Γνωρίζω πολύ καλά ότι το ups θα καλύψει απο εξωτερικές αρμονικές και οχι απο αρμονικές που μπορεί να δημιουργήσει το ίδιο η κάποια συσκευή συνδεδεμένη επάνω του.