Αρμονικά ρεύματα και επιπτώσεις στις μεγάλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις
Η ονομαστική συχνότητα ονομάζεται θεμελιώδης συχνότητα. Οποιαδήποτε περιοδική απόκλιση από την καθαρά ημιτονική μορφή της τάσης μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα άθροισμα από καθαρά συνημίτονα με συχνότητα ίση με την ονομαστική και ακέραια πολλαπλάσια αυτής. Μία ημιτονική κυματομορφή με συχνότητα k φορές μεγαλύτερη από την θεμελιώδη (το k είναι ακέραιος αριθμός) καλείται αρμονική διαταραχή. Ο λόγος μεταξύ της αρμονικής συχνότητας και της θεμελιώδης συχνότητας (k) καλείται τάξη της αρμονικής.
Η ύπαρξη αρμονικών στη τάση και την ένταση οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη μη γραμμικών φορτίων, φορτίων δηλαδή, όπου το ρεύμα έχει διαφορετική κυματομορφή από αυτήν της τάσης. Μέσω της τάσης και σε συνάρτηση με την ισχύ βραχυκυκλώσεως του δικτύου, οι αρμονικές που παράγονται σε ένα σημείο μεταδίδονται και μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα σε άλλα φορτία.
Γενικά τα αρμονικά ρεύματα που παράγονται από τα μη γραμμικά φορτία που κυκλοφορούν σε μια εγκατάσταση και επιδρούν αρνητικά σε πολλές περιοχές της, όπως στους πυκνωτές, τους μετασχηματιστές και τους κινητήρες, προκαλώντας υπερθέρμανση, υπερφόρτωση και επιπρόσθετες απώλειες.
Στις σύγχρονες βιομηχανικές εγκαταστάσεις το ποσοστό των μη γραμμικών φορτίων είναι υψηλό με αποτέλεσμα αυτά να μολύνουν το σύστημα παροχής ισχύος με αρμονικά ρεύματα τα οποία στη συνέχεια προκαλούν αρμονική παραμόρφωση στην τάση.
Μερικές από τις πηγές των αρμονικών που εμφανίζονται στα δίκτυα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας είναι:
• Στρεφόμενες ηλεκτρικές μηχανές: Οι αρμονικές οφείλονται στις οδοντώσεις του πυρήνα και στις ατέλειες των μαγνητικών κυκλωμάτων τους.
• Ρεύματα μαγνήτισης των Μ/Σ: Οι αρμονικές οφείλονται στο μαγνητικό κορεσμό των πυρήνων και στη μαγνητική υστέρηση.
• Σιδηροσυντονισμός: Οι αρμονικές οφείλονται σε ισχυρό μη γραμμικό φαινόμενο προκαλούμενο από την αλληλεπίδραση μη γραμμικής επαγωγικής αντίδρασης (για παράδειγμα ένας μετασχηματιστής) με τη χωρητικότητα του συστήματος.
Συχνά υπερισχύουν οι συχνότητες του 1/3 ή 1/5 της βασικής και εμφανίζεται σαν υποαρμονικό φαινόμενο με υπερτάσεις, μεγάλα ρεύματα, παραμόρφωση κυματομορφών κλπ.
• Μη γραμμικότητες δικτύου: Προκύπτουν από φορτία όπως ανορθωτές, μετατροπείς, κλίβανοι ηλεκτρικού τόξου, μηχανήματα ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου, λαμπτήρες αερίου, ελεγκτές τάσης, μετατροπείς συχνότητας κ.ά.
• Τριφασικά φορτία: εισάγουν κυρίως αρμονικές περιττής τάξεως (5η, 7η, 11η, 13η, 17η αρμονική).
• Συσκευές που συνδυάζουν ημιαγωγούς και συστήματα διακοπής (για εξοικονόμηση ενέργειας).
• Συσκευές ελέγχου των κινητήρων σε εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας έλξης
(π.χ. ηλεκτρικοί σιδηρόδρομοι).
• Συσκευές μετατροπής και μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος με συνεχές ρεύμα. υψηλής τάσεως.
• Ηλιακά και αιολικά συστήματα μικρής ισχύος με τους αντίστοιχους μετατροπείς ισχύος από εναλλασσόμενο σε συνεχές ρεύμα για τη σύνδεση των πηγών με τα συστήματα διανομής.
• Συστήματα διόρθωσης συντελεστή ισχύος. Η χρήση συστοιχιών πυκνωτών προκαλεί παραγωγή αρμονικών λόγω συντονισμού, όπως επίσης και η χρήση πηνίων αντιστάθμισης που χρησιμοποιούνται για την εξουδετέρωση χωρητικών φορτίσεων
(π.χ. μεγάλων γραμμών μεταφοράς). Άλλος λόγος δημιουργίας αρμονικών στα ανωτέρω συστήματα είναι τα θυρίστορ, που περιλαμβάνονται στις νέες μεθόδους διόρθωσης του συντελεστή ισχύος.
• Συσκευές φόρτισης συσσωρευτών. Απαιτούν χρήση ανορθωτών και χρησιμοποιούνται για παράδειγμα σε ηλεκτρικά οχήματα που λειτουργούν με συσσωρευτές.
• Συσκευές άμεσης μετατροπής ενέργειας που απαιτούν μετατροπείς από εναλλασσόμενο σε συνεχές ρεύμα.
• Κυκλομετατροπείς (cycloconverters) που χρησιμοποιούνται σε κινητήρες χαμηλών ταχυτήτων και μεγάλων ροπών, κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές.
• Στοιχεία θέρμανσης PBM (Pulse Burst-Modulated), που χρησιμοποιούνται σε μεγάλους κλιβάνους.
Η αυξημένη ύπαρξη αρμονικών ρευμάτων σε μια βιομηχανική εγκατάσταση είναι δυνατόν να επιδράσει σε ολόκληρη την εγκατάσταση και να είναι η βασική αιτία του κακού συντελεστή ισχύος και των ισχυρών ρευμάτων στον ουδέτερο.
Συμαντική είναι και η επίδραση των αρμονικών στους αγωγούς ουδετέρου των τριφασικών συστημάτων Οι τρίτες αρμονικές προκαλούν υπερφόρτωση στον ουδέτερο αγωγό των τριφασικών συστημάτων, σε συνδεσμολογία αστέρα.
Όταν όμοια γραμμικά φορτία τοποθετούνται σε κάθε μια από τις τρεις φάσεις , τότε τα φασικά ρεύματα στο σημείο Ν έχουν άθροισμα μηδέν και ο ουδέτερος δεν διαρρέεται από ρεύμα.
Όταν όμως μη γραμμικά φορτία εφαρμοσθούν στο σύστημα τότε θα υπάρξουν αρμονικά ρεύματα, τρίτης αρμονικής, σε κάθε φάση, θα αθροιστούν στο σημείο Ν , και το ρεύμα του ουδετέρου θα ξεπερνάει τα φασικά ρεύματα. Επειδή ο αγωγός του ουδετέρου συνήθως δεν ασφαλίζεται , αυτά τα ρεύματα μπορεί να υπερθερμάνουν και να καταστρέψουν τον αγωγό αυτό.
Επιπλέον οι υψηλής τάξεως αρμονικές προκαλούν επιπρόσθετες απώλειες θερμότητας στους αγωγούς που ρέουν λόγω του «επιδερμικού φαινομένου».
Σύμφωνα με το επιδερμικό φαινόμενο καθώς η συχνότητα του ρεύματος αυξάνει τότε το ρεύμα δεν ισομοιράζεται σε όλη την διατομή του αγωγού αλλά παρουσιάζει υψηλότερη πυκνότητα στην εξωτερική πλευρά του αγωγού.
Για τον παραπάνω λόγο ένας αγωγός, ανεξάρτητα διατομής, μπορεί να μεταφέρει ρεύμα εντός των ορίων της ονομαστικής του τιμής αλλά παρόλα αυτά να υπερθερμαίνεται.
Συνεπώς κάθε αγωγός που διαπερνάται απο αρμονικά ρεύματα θα έχει αυξημένες απώλειες και η απόδοση του θα είναι υποβαθμισμένη. Με αυξημένα επίπεδα αρμονικών ελλοχεύει ο κίνδυνος υπερφόρτισης του ουδετέρου με δύο πιθανές επιπτώσεις:
• Υπερθέρμανση του αγωγού στον ουδέτερο με μείωση του χρόνου ζωής και ενδεχόμενο εκδήλωσης πυρκαγιάς.
• Υπάρχουν ενδείξεις ότι εμφάνιση μεγάλων τάσεων στον ουδέτερο επηρεάζουν τον ψηφιακό εξοπλισμό και τα τοπικά δίκτυα υπολογιστών αν δεν υφίσταται καλό σύστημα γείωσης.
Τέλος σε ένα σύστημα με μη γραμμικά φορτία τα οποία προκαλούν αρμονικές, τα ρεύματα και οι τάσεις μπορούν να επιρρεάσουν συμαντικά και αρνητικά τον συντελεστή ισχύος μιας εγκατάστασης, με αποτέλεσμα υψηλούς λογαριασμούς ρεύματος.
