Észrevett egy furcsa jelenséget: észlelhetünk páratlan-rendű harmonikusokat, például a 3., 5. és 7. harmonikusokat az elektromos hálózatban, de szinte soha nem látunk páros-rendű harmonikusokat, mint a 2., 4. és 6. felharmonikusok? Miért van ez? Még a-rendű harmonikusokat sem lehet felismerni?
Mik azok az elektromos hálózat harmonikusai?
Ahhoz, hogy megértsük, miért ritkák még a{0}}rendű felharmonikusok is, először meg kell értenünk, mik is azok a „harmonikusok”. Az általunk használt váltakozó áram ideális esetben egy 50 Hz-es fix frekvenciájú szabványos szinuszhullám, amelyet "alaphullámnak" neveznek, hasonlóan a zenei "fő dallamhoz".
A valóságban sok elektromos készülék nem „engedelmesen követi a parancsokat”-, mint például a LED-lámpák, a mobiltelefon-töltők, a laptopok tápegységei és a légkondicionálók. Ezek „nem-lineáris eszközök”, és nem az alaphullám ritmusának megfelelően működnek. Ehelyett "beavatkoznak" az alaphullámba, és furcsa hullámformákká "hajlítják" a sima szinuszhullámot.
Ezek a torz hullámformák a „Fourier-dekompozíció” matematikai módszerével lebontva azt mutatják, hogy valójában egy alapfrekvenciából (50 Hz) és egy sor „harmonikusból” állnak, amelyek frekvenciái az alapfrekvencia egész számú többszörösei. Például a 3. harmonikus 150 Hz (50 × 3), az 5. harmonikus 250 Hz (50 × 5), és a páros{10}}rendű harmonikusok olyan hullámformák, amelyek frekvenciája az alapfrekvencia akár többszöröse is, például 100 Hz (2.) és 200 Hz (4.).
A teljes-híd-egyenirányító technológia „kiküszöböli” az egyenletes-rendű harmonikusokat.
Miért szinte soha nem látjuk a{0}}sorrendű harmonikusokat? A kulcs abban rejlik, hogy manapság a legtöbb nemlineáris eszköz a piacon a "teljes-híd-egyenirányításnak" nevezett alapvető technológiát alkalmazza,-ez a körülöttünk lévő elektromos készülékek "rejtett működése", és ez egy fontos oka annak, hogy még a-sorrendű harmonikusok is ritkák.
Mi az a teljes{0}}híd-helyreigazítás? Egy egyszerű hasonlattal érthetjük meg: a váltakozó áram az elektromos hálózatban olyan, mint egy hullám, amely emelkedik és süllyed, a pozitív félciklus-felfelé, a negatív félciklus-lefelé halad, és az irány folyamatosan változik; míg a teljes-híd-egyenirányítás olyan, mint egy "hullámforma-átalakító", amely képes "korrigálni" az áram irányát, függetlenül attól, hogy az áram pozitív vagy negatív félciklusban van-e, és egyenárammá (vagy pulzáló egyenárammá) alakítja ugyanabban az irányban, akárcsak a hullámzó hullámok egyirányú vízárammá lapítása.
Az otthonunkban található LED-lámpák, mobiltelefon-töltők, számítógépes tápegységek, sőt még a klímaberendezések és mosógépek is szinte mindegyik teljes-híd-egyenirányító technológiát használ, így az általuk generált felharmonikusok mind páratlan-rendűek, és a páros-rendű harmonikusokat természetesen nehéz észrevenni.
Az egyenletes-rendű harmonikusok csak akkor fordulnak elő, ha a hullámforma aszimmetrikus
Természetesen még-rendbeli harmonikusok sem teljesen hiányzóak, de a modern elektromos hálózatokban rendkívül ritkák. Az egyenletes-rendű harmonikusok csak akkor jelennek meg, ha az áramhálózat hullámformája „aszimmetrikus”, és két gyakori forgatókönyv létezik:
- Az első típus a „félhullám-egyenirányító” technológiát alkalmazó berendezéseket foglalja magában. A teljes-híd-egyenirányítástól eltérően a fél-hullám-egyenirányítás csak a váltóáram pozitív (vagy negatív) fél-ciklusát használja fel, a hullámforma másik felét elvetve. Ez aszimmetrikus hullámformát eredményez, ami egyenletes -rendű harmonikusokhoz vezet a Fourier-felbontás után. A fél-hullám-egyenirányítás azonban rendkívül nem hatékony, és jelentős mennyiségű energiát pazarol. A teljes{10}}híd-helyreigazítással teljesen megszüntették, és csak néhány nagyon régi, már-már elavult berendezésben használják (például évtizedekkel ezelőtti töltőkben), ami megnehezíti az észlelését az elektromos hálózatban.
A második típus a berendezés meghibásodása. Például egy készülékben lévő sérült egyenirányító dióda megakadályozhatja a normál konverziót a pozitív és negatív félciklusok között, ami aszimmetrikus hullámformát eredményez, és egyenletes -rendű harmonikusokat generál. Ez azonban hibaállapot; Amint előfordul, a készülék általában meghibásodik, vagy beindít egy védelmi mechanizmust, és nincs hosszú távú-hatása az elektromos hálózatra, megnehezítve annak észlelését.
A felharmonikusok komoly interferenciát és károsodást okozhatnak az elektromos rendszerekben, súlyos esetekben pedig akár az áramellátó rendszer bénulásához is vezethetnek.
Miért „ritkák” a még-rendbeli harmonikusok is?
Leegyszerűsítve az egyenletes-rendű harmonikusok szinte láthatatlanok az elektromos hálózatban, főként a "teljes-híd-egyenirányító technológia" széles körben elterjedt alkalmazása miatt: szimmetrikusan tartja az elektromos készülékek által generált hullámformát, és a szimmetrikus hullámformák nem bonthatók egyenletes-rendű felharmonikusokra, vagyis még a normál berendezések sem generál ráadásul maguk az energiarendszer transzformátorai bizonyos mértékben képesek elnyomni az egyenletes-rendű harmonikusokat.
Vannak olyan villanyórák, amelyek kiküszöbölik a harmonikusokat?
Szigorúan véve egyetlen villanyóra sem képes "kiküszöbölni" a harmonikusokat. A villanyóra funkciója a "mérő", nem a "kezelés". Míg a villamosenergia-mérők nem szüntetik meg a felharmonikusokat, az elektromos rendszerben valóban vannak olyan eszközök, amelyeket kifejezetten a harmonikusok "kiküszöbölésére" terveztek; ezeket szűrőknek nevezzük.
A legújabb kutatások azt mutatják, hogy a megfelelő szűrők felszerelése a villamosenergia-fogyasztásmérők elején hatékonyan csökkentheti a harmonikusok hatását a mérési pontosságra.