Αρμονικές του συστήματος ισχύος και THD: Αιτίες, επιπτώσεις, μέτρηση και μετριασμός

Οι αρμονικές του ηλεκτρικού συστήματος είναι συνιστώσες τάσης ή ρεύματος των οποίων οι συχνότητες είναι ακέραια πολλαπλάσια της βασικής συχνότητας ισχύος. Σε ένα σύστημα 50 Hz, η 3η αρμονική είναι 150 Hz και η 5η είναι 250 Hz· σε ένα σύστημα 60 Hz, είναι 180 Hz και 300 Hz. Αυτές οι συνιστώσες συνδυάζονται με τη βασική κυματομορφή και προκαλούν απόκλιση της τάσης ή του ρεύματος από ένα ιδανικό ημιτονοειδές κύμα.

Ολική αρμονική παραμόρφωση (THD) συμπυκνώνει το συνδυασμένο αρμονικό περιεχόμενο σε ένα ποσοστό. Είναι χρήσιμη για έλεγχο, ανάλυση τάσεων και σύγκριση μετρήσεων, αλλά μια τιμή THD από μόνη της δεν προσδιορίζει την πηγή, την κυρίαρχη τάξη αρμονικών, το σημείο συμμόρφωσης ή τη σωστή λύση. Μια τεκμηριωμένη αξιολόγηση πρέπει να διακρίνει την παραμόρφωση τάσης από την παραμόρφωση ρεύματος, να επιβεβαιώνει το σημείο λήψης της μέτρησης, να εξετάζει το αρμονικό φάσμα και να αξιολογεί την εγκατάσταση υπό αντιπροσωπευτικές συνθήκες φορτίου.

Βασικά συμπεράσματα

• Τα μη γραμμικά φορτία δημιουργούν αρμονικό ρεύμα επειδή απορροφούν ρεύμα σε παλμούς αντί ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τάση.
• Το αρμονικό ρεύμα που διαρρέει τη σύνθετη αντίσταση του συστήματος προκαλεί παραμόρφωση αρμονικής τάσης.
• Τα THDv, THDi και η ολική παραμόρφωση ζήτησης (TDD) χρησιμοποιούν διαφορετικούς αριθμητές ή τιμές αναφοράς και δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται ως εναλλάξιμα.
• Το πρότυπο IEEE 519 εφαρμόζει στόχους παραμόρφωσης τάσης και ρεύματος μόνιμης κατάστασης στο σημείο κοινής σύζευξης (PCC) του χρήστη, και όχι ως ένα καθολικό όριο επιτυχίας/αποτυχίας για κάθε ακροδέκτη συσκευής.
• Μια υψηλή ένδειξη THDi σε χαμηλό φορτίο μπορεί να είναι παραπλανητική επειδή ο παρονομαστής του θεμελιώδους ρεύματος είναι μικρός· ο TDD παρέχει μια αναφορά βάσει ζήτησης για την αξιολόγηση στο PCC.
• Η αντιμετώπιση πρέπει να ακολουθεί τη μέτρηση. Τα πηνία, τα παθητικά φίλτρα, τα ενεργά φίλτρα αρμονικών, οι ανορθωτές πολλαπλών παλμών και οι οδηγοί με ενεργό μέτωπο (active-front-end drives) επιλύουν διαφορετικά προβλήματα.
• Μια τυπική συστοιχία πυκνωτών διόρθωσης συντελεστή ισχύος δεν είναι αυτόματα φίλτρο αρμονικών και μπορεί να δημιουργήσει κίνδυνο συντονισμού εάν εφαρμοστεί χωρίς μελέτη αρμονικών.

Αρμονικές, THD και TDD με μια ματιά

Ποσότητα	Τι περιγράφει	Τιμή αναφοράς	Καλύτερη χρήση	Συνηθισμένο σφάλμα ερμηνείας
Μεμονωμένη αρμονική	Μέγεθος μιας αρμονικής τάξης, όπως η 5η	Θεμελιώδης ή άλλη δηλωμένη αναφορά	Προσδιορισμός κυρίαρχων πηγών και επιλογή φίλτρων	Εξέταση μόνο της THD και παράλειψη μιας κυρίαρχης τάξης
THDv	Συνολική αρμονική παραμόρφωση τάσης	Θεμελιώδης τάση	Αξιολόγηση της ποιότητας κυματομορφής σε έναν ζυγό ή έναν ακροδέκτη εξοπλισμού	Εφαρμογή ενός ορίου τάσης σε κάθε θέση
THDi	Συνολική αρμονική παραμόρφωση ρεύματος	Θεμελιώδες ρεύμα κατά τη στιγμή της μέτρησης	Αξιολόγηση φορτίου και παρακολούθηση της λειτουργικής του συμπεριφοράς	Σύγκριση THDi υπό ελαφρύ και πλήρες φορτίο χωρίς πλαίσιο αναφοράς
TDD	Συνολικό αρμονικό ρεύμα σε σχέση με το ρεύμα ζήτησης	Μέγιστο ρεύμα φορτίου ζήτησης, IL	IEEE 519-style current assessment at the PCC	Αντιμετώπισή του ως εναλλακτική ονομασία για το THDi
Φάσμα αρμονικών	Μέγεθος κάθε μετρούμενης αρμονικής τάξης	Θεμελιώδης συχνότητα ή τιμή αναφοράς οργάνου	Διάγνωση της πηγής και επιλογή μέτρων μετριασμού	Χρήση μίας συνολικής τιμής χωρίς έλεγχο των επιμέρους τάξεων

Τι δημιουργεί αρμονικές σε ένα ηλεκτρικό σύστημα;

Ένα γραμμικό φορτίο απορροφά κυματομορφή ρεύματος ευθέως ανάλογη με την εφαρμοζόμενη τάση. Οι ηλεκτρικοί θερμαντήρες αντίστασης αποτελούν ένα απλό παράδειγμα. Ένα μη γραμμικό φορτίο μεταβάλλει την αντίθεσή του (impedance) κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου ή χρησιμοποιεί μεταγωγή και ανόρθωση, επομένως το ρεύμα του απορροφάται σε παλμούς ή τεμαχισμένα τμήματα. Η ανάλυση Fourier αναπαριστά αυτή την παραμορφωμένη περιοδική κυματομορφή ως μια θεμελιώδη συνιστώσα συν αρμονικές συνιστώσες.

Η συχνότητα της αρμονικής τάξης h είναι:

fh = h x f1

όπου:
fh = αρμονική συχνότητα
h  = αρμονική τάξη: 2, 3, 4, 5...
f1 = θεμελιώδης συχνότητα: συνήθως 50 Hz ή 60 Hz

Στα κοινά φορτία που παράγουν αρμονικές περιλαμβάνονται:

• ρυθμιστές στροφών (VFD) έξι παλμών και άλλα φορτία ανορθωτών;
• συστήματα αδιάλειπτης παροχής ενέργειας (UPS);
• τροφοδοτικά μεταγωγής (switched-mode power supplies) σε υπολογιστές, διακομιστές και εξοπλισμό ελέγχου;
• Οδηγοί LED και ηλεκτρονικά στραγγαλιστικά πηνία φωτισμού;
• φορτιστές μπαταριών και εξοπλισμός φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων;
• εξοπλισμός συγκόλλησης, ηλεκτρικοί κλίβανοι τόξου και άλλες μη γραμμικές βιομηχανικές διεργασίες;
• μαγνητικός εξοπλισμός κορεσμού υπό μη κανονικές συνθήκες λειτουργίας.

Το φορτίο συνήθως διοχετεύει πρώτα αρμονικό ρεύμα. Καθώς αυτό το ρεύμα ρέει μέσω του μετασχηματιστή, του καλωδίου, του ζυγού και της σύνθετης αντίστασης της πηγής, δημιουργεί αρμονικές πτώσεις τάσης. Η προκύπτουσα παραμόρφωση της τάσης μπορεί στη συνέχεια να επηρεάσει άλλο εξοπλισμό που είναι συνδεδεμένος στον ίδιο ζυγό. Αυτή η διάκριση έχει σημασία, διότι η αντικατάσταση ενός ευαίσθητου φορτίου δεν απομακρύνει μια πηγή σε επίπεδο συστήματος, ενώ η προσθήκη ενός φίλτρου στον λάθος ζυγό ενδέχεται να επιφέρει ελάχιστη βελτίωση.

Πώς οι αρμονικές παραμορφώνουν μια κυματομορφή AC

Μια ιδανική ημιτονοειδής κυματομορφή περιέχει μόνο τη θεμελιώδη συχνότητα. Ένα πραγματικό μη γραμμικό φορτίο μπορεί να απορροφά θεμελιώδες ρεύμα συν συνιστώσες 3ης, 5ης, 7ης και ανώτερης τάξης. Σε κάθε στιγμή, αυτές οι συνιστώσες προστίθενται αλγεβρικά. Το αποτέλεσμα μπορεί να φαίνεται επίπεδο στην κορυφή, με απότομες αιχμές, με εγκοπές ή αλλιώς παραμορφωμένο, παρόλο που η τάση RMS εμφανίζεται κοντά στην ονομαστική τιμή.

Το σχήμα της κυματομορφής και το φάσμα παρέχουν διαφορετικές πληροφορίες:

• Η κυματομορφή στον πεδίο του χρόνου εμφανίζει εγκοπές (notching), κορυφές με επίπεδη κορυφή (flat-topping), υψηλό συντελεστή κορυφής (crest factor) και συμπεριφορά μεταγωγής.
• Το φάσμα στο πεδίο της συχνότητας δείχνει ποιες αρμονικές τάξεις επικρατούν.
• Ο συνολικός αρμονικός συντελεστής (THD) παρέχει ένα βολικό συνολικό αποτέλεσμα, αλλά δεν μπορεί να δείξει αν η παραμόρφωση οφείλεται κυρίως στην 3η, 5η, 7η αρμονική ή αν είναι διασκορπισμένη σε πολλές τάξεις.

Για τον σχεδιασμό αντιμέτρων, το φάσμα είναι συνήθως πιο αξιοποιήσιμο από το συνολικό αποτέλεσμα από μόνο του.

Πώς υπολογίζεται η ολική αρμονική παραμόρφωση;

THD τάσης

Η THD τάσης είναι η τιμή της τετραγωνικής ρίζας του αθροίσματος των τετραγώνων των αρμονικών τάσεων διαιρεμένη με τη θεμελιώδη τάση:

THDv = [sqrt(V2^2 + V3^2 + ... + Vh^2) / V1] x 100%

V1 = RMS θεμελιώδης τάση
Vh = RMS τάση της αρμονικής τάξης h

Το THDv υποδεικνύει πόσο αποκλίνει η κυματομορφή τάσης στο σημείο μέτρησης από τη θεμελιώδη συνιστώσα της. Επηρεάζεται από το αρμονικό ρεύμα και από την εμπέδηση μεταξύ της πηγής και του σημείου μέτρησης.

THD ρεύματος

Το THD ρεύματος χρησιμοποιεί την ίδια δομή, αλλά αναφέρει το αρμονικό ρεύμα στο θεμελιώδες ρεύμα που μετράται τη δεδομένη στιγμή:

THDi = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / I1] x 100%

I1 = ενεργό (RMS) θεμελιώδες ρεύμα τη στιγμή της μέτρησης
Ih = ενεργό (RMS) ρεύμα αρμονικής τάξης h

Το THDi είναι χρήσιμο κατά την αξιολόγηση της συμπεριφοράς ενός μεμονωμένου μη γραμμικού φορτίου. Ωστόσο, το αποτέλεσμα μπορεί να αυξηθεί απότομα σε συνθήκες ελαφρού φορτίου επειδή I1 γίνεται μικρό, ακόμη και όταν το απόλυτο αρμονικό ρεύμα δεν βρίσκεται στη χειρότερη κατάσταση του συστήματος. Να καταγράφετε πάντα το ρεύμα φορτίου και την κατάσταση λειτουργίας δίπλα στο THDi.

Συνολική Παραμόρφωση Ζήτησης (TDD)

Το TDD συσχετίζει το αρμονικό ρεύμα με μια τιμή ρεύματος ζήτησης αντί για το στιγμιαίο θεμελιώδες ρεύμα:

TDD = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / IL] x 100%

IL = μέγιστο ρεύμα φορτίου ζήτησης στο PCC, όπως ορίζεται για την εφαρμοστέα μέθοδο αξιολόγησης

Αυτός ο πιο σταθερός παρονομαστής καθιστά το TDD κατάλληλο για την αξιολόγηση του τρόπου με τον οποίο το αρμονικό ρεύμα μιας εγκατάστασης σχετίζεται με τη ζήτησή της στο PCC. Το σωστό IL, το διάστημα συγκέντρωσης, η περίοδος παρατήρησης και ο λόγος βραχυκύκλωσης πρέπει να ακολουθούν το εφαρμοστέο πρότυπο και τη μελέτη του έργου. Μην αντικαθιστάτε την ονομαστική τιμή του αυτόματου διακόπτη, το ρεύμα της πινακίδας του μετασχηματιστή ή μια βολική επιτόπια μέτρηση χωρίς αιτιολόγηση.

Γιατί το THDv και το THDi μπορούν να δώσουν διαφορετικές εικόνες

Η υψηλή παραμόρφωση ρεύματος δεν σημαίνει αυτόματα υψηλή παραμόρφωση τάσης. Ένα ισχυρό ηλεκτρικό σύστημα με χαμηλή σύνθετη αντίσταση πηγής μπορεί να απορροφήσει σημαντικό αρμονικό ρεύμα διατηρώντας μια σχετικά καθαρή κυματομορφή τάσης. Ένα ασθενές σύστημα ή ένας μακρύς τροφοδότης υψηλής σύνθετης αντίστασης μπορεί να παρουσιάσει μεγαλύτερη παραμόρφωση τάσης από ένα μικρότερο αρμονικό ρεύμα.

Η αντίστροφη διαγνωστική διάκριση είναι επίσης χρήσιμη:

• Ένα υψηλό THDi σε έναν κλάδο αλλά αποδεκτό THDv στον κύριο ζυγό συχνά υποδεικνύει ένα τοπικό μη γραμμικό φορτίο με περιορισμένο αντίκτυπο στο σύστημα.
• Η αυξημένη τιμή THDv σε διάφορες γραμμές τροφοδοσίας υποδηλώνει παραμόρφωση σε κοινό ανάντη ζυγό ή συνθήκη συντονισμού.
• Η αυξημένη τιμή THDv στην είσοδο της παροχής πριν από τη λειτουργία των κύριων φορτίων της εγκατάστασης μπορεί να υποδεικνύει συνεισφορά από το ανάντη δίκτυο, η οποία απαιτεί διερεύνηση από τον πάροχο ενέργειας.
• Η υψηλή τιμή THDi μόνο κατά τη διάρκεια ενός συγκεκριμένου τρόπου λειτουργίας υποδεικνύει πηγή που σχετίζεται με τη διεργασία, όπως η φόρτιση ρυθμιστών στροφών, η αγωγιμότητα ανορθωτών ή η λειτουργία φορτιστών.

Ποια προβλήματα μπορούν να προκαλέσουν οι αρμονικές;

Οι αρμονικές δεν προκαλούν ένα καθολικό σύμπτωμα. Οι επιπτώσεις τους εξαρτώνται από την τάξη της αρμονικής, το μέγεθος, την εμπέδηση του συστήματος, το πρότυπο φορτίου, τη διάταξη γείωσης, τον συντονισμό και τον σχεδιασμό του εξοπλισμού.

Πρόσθετη θέρμανση σε αγωγούς, ζυγούς και μετασχηματιστές

Το αρμονικό ρεύμα αυξάνει το συνολικό RMS ρεύμα και, συνεπώς, τη θέρμανση των αγωγών. Τα στοιχεία υψηλότερης συχνότητας αυξάνουν επίσης τις απώλειες λόγω δινορευμάτων και του φαινομένου επιδερμίδας σε μαγνητικά και αγώγιμα μέρη. Οι μετασχηματιστές που τροφοδοτούν σημαντικό μη γραμμικό φορτίο ενδέχεται να παρουσιάσουν πρόσθετες απώλειες τυλιγμάτων και απώλειες διαρροής, ακόμη και όταν η μέση ζήτηση kW φαίνεται φυσιολογική.

Οι συνδέσεις που έχουν ήδη επηρεαστεί από υψηλή αντίσταση είναι ιδιαίτερα ευάλωτες, επειδή το παραμορφωμένο RMS ρεύμα προστίθεται στο I²R θέρμανση. Οι διαγνωστικές μέθοδοι στον οδηγό της VIOX για την υπερθέρμανση του ακροδέκτη βοηθούν στον διαχωρισμό του αρμονικού φορτίου από χαλαρές ή φθαρμένες συνδέσεις.

Υπερθέρμανση ουδέτερου αγωγού

Σε ένα ισορροπημένο τριφασικό σύστημα τεσσάρων αγωγών, τα θεμελιώδη ρεύματα παρόμοιων μονοφασικών φορτίων αλληλοεξουδετερώνονται σε μεγάλο βαθμό στον ουδέτερο. Οι τριπλάσιες αρμονικές, συμπεριλαμβανομένης της 3ης, 9ης και 15ης, είναι συνιστώσες μηδενικής ακολουθίας και μπορούν να αθροιστούν στον ουδέτερο αντί να αλληλοεξουδετερωθούν. Επομένως, μια μέτρηση ισορροπημένου ρεύματος φάσης δεν εγγυάται χαμηλό ρεύμα ουδετέρου.

Το φορτίο του ουδετέρου πρέπει να μετράται απευθείας εκεί όπου συγκεντρώνονται τα ηλεκτρονικά μονοφασικά φορτία. Μην συγχέετε τη λειτουργία μεταφοράς ρεύματος του ουδετέρου με τη διαδρομή της προστατευτικής γείωσης· η διάκριση εξηγείται στο ζυγός ουδετέρου έναντι ζυγού γείωσης.

Απώλειες κινητήρα, παλμοί ροπής και θόρυβος

Οι αρμονικές τάσης δημιουργούν περιστρεφόμενα μαγνητικά πεδία με διαφορετικές ταχύτητες και κατευθύνσεις. Στους επαγωγικούς κινητήρες, ορισμένες αρμονικές ακολουθίες αντιτίθενται στο θεμελιώδες περιστρεφόμενο πεδίο, ενώ άλλες ενισχύουν την κατεύθυνσή του σε διαφορετικές σύγχρονες ταχύτητες. Το αποτέλεσμα μπορεί να περιλαμβάνει πρόσθετες απώλειες χαλκού και σιδήρου, παλμούς ροπής, κραδασμούς, ακουστικό θόρυβο και μειωμένο ωφέλιμο θερμικό περιθώριο.

Όταν εμπλέκονται ρυθμιστές στροφών, διαχωρίστε τις αρμονικές της γραμμής στην πλευρά εισόδου από την καταπόνηση τάσης PWM στην πλευρά εξόδου. Ένας αντιδραστήρας γραμμής ή ένα φίλτρο αρμονικών εισόδου αντιμετωπίζει ένα διαφορετικό πρόβλημα από έναν αντιδραστήρα εξόδου, ένα φίλτρο ημιτονοειδούς κύματος ή dV/dt φίλτρο. Ο οδηγός της VIOX για VFD έναντι soft starter παρέχει το ευρύτερο πλαίσιο ελέγχου κινητήρων.

Υπερφόρτωση πυκνωτών και συντονισμός

Οι πυκνωτές διόρθωσης συντελεστή ισχύος μειώνουν τη ζήτηση άεργου ισχύος στη θεμελιώδη συχνότητα, αλλά η σύνθετη αντίστασή τους μειώνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα. Σε συνδυασμό με την αυτεπαγωγή του ηλεκτρικού συστήματος, μπορούν να δημιουργήσουν παράλληλο ή εν σειρά συντονισμό κοντά σε μια υπάρχουσα αρμονική τάξη. Το αποτέλεσμα μπορεί να ενισχύσει την αρμονική τάση ή το ρεύμα και να προκαλέσει υπερφόρτωση σε πυκνωτές, αντιδραστήρες, μετασχηματιστές ή διατάξεις μεταγωγής.

Ως εκ τούτου, μια συμβατική συστοιχία πυκνωτών δεν θα πρέπει να παρουσιάζεται ως μια καθολική λύση για τις αρμονικές. Όπου το περιεχόμενο αρμονικών είναι σημαντικό, ο σχεδιασμός ενδέχεται να απαιτεί αντικατασταλτικά πηνία (detuned reactors), ένα συντονισμένο παθητικό φίλτρο, ένα ενεργό φίλτρο αρμονικών ή άλλη τεχνική λύση. Ο σκοπός και τα όρια της αυτόματης διόρθωσης συντελεστή ισχύος καλύπτονται στο Πλήρης ονομασία και λειτουργία του APFC.

Ανεπιθύμητη λειτουργία και ηλεκτρονική δυσλειτουργία

Οι παραμορφωμένες κυματομορφές μπορούν να αυξήσουν το ρεύμα αιχμής, να μεταβάλουν τα μηδενικά σημεία διέλευσης, να προσθέσουν θέρμανση και να προκαλέσουν παρεμβολές σε εξοπλισμό που προϋποθέτει παροχή σχεδόν ημιτονοειδούς μορφής. Τα πιθανά συμπτώματα περιλαμβάνουν ανεξήγητη λειτουργία συσκευών προστασίας, συναγερμούς βαθμίδων πυκνωτών, θόρυβο μετασχηματιστή, επαναφορές ελέγχου, εσφαλμένες ενδείξεις από ακατάλληλα όργανα και μειωμένη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού.

Αυτά τα συμπτώματα δεν αποτελούν απόδειξη ύπαρξης αρμονικών. Χαλαροί αγωγοί, ανισορροπία τάσης, μεταβατικά φαινόμενα, υπερφόρτιση, ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και λανθασμένες ρυθμίσεις μπορεί να μοιάζουν παρόμοια. Απαιτείται μέτρηση πριν από την επιλογή μιας λύσης.

Πού και πώς πρέπει να μετρώνται οι αρμονικές;

Το σχέδιο μέτρησης πρέπει να απαντά σε ένα συγκεκριμένο ερώτημα: συμμόρφωση στο PCC, αντιμετώπιση προβλημάτων εξοπλισμού, εντοπισμός πηγής, σχεδιασμός χωρητικότητας ή επαλήθευση μετά τον μετριασμό. Μια μεμονωμένη μέτρηση σπάνια δίνει απάντηση και στα πέντε.

1. Καθορισμός του ορίου μέτρησης

Για μια αξιολόγηση επιπέδου εγκατάστασης κατά IEEE 519, προσδιορίστε το συμβατικό ή μηχανολογικό PCC. Για εσωτερική αντιμετώπιση προβλημάτων, πραγματοποιήστε μετρήσεις και στο εσωτερικό σημείο σύζευξης της μονάδας, στον κύριο ζυγό διανομής, στην ύποπτη γραμμή τροφοδοσίας και στους ακροδέκτες φορτίου, όπως απαιτείται. Τεκμηριώστε το μονογραμμικό διάγραμμα και την τοποθεσία κάθε μέτρησης.

2. Χρησιμοποιήστε κατάλληλα όργανα μέτρησης

Χρησιμοποιήστε έναν αναλυτή ποιότητας ισχύος ικανό για ταυτόχρονη μέτρηση τάσης και ρεύματος τριών φάσεων, καταγραφή φάσματος αρμονικών, THDv, THDi, TDD όπου απαιτείται, καταγραφή συμβάντων και μέτρηση ρεύματος ουδετέρου για συστήματα τεσσάρων αγωγών. Το πρότυπο IEC 61000-4-7 αφορά τα όργανα μέτρησης αρμονικών και ενδιάμεσων αρμονικών, ενώ το IEC 61000-4-30 ορίζει τις μεθόδους μέτρησης ποιότητας ισχύος και τις κλάσεις μέτρησης.

Ένα βασικό όργανο μέτρησης μέσης τιμής δεν επαρκεί για τη διάγνωση παραμορφωμένων κυματομορφών. Ένα όργανο μέτρησης true-RMS μπορεί να βελτιώσει την ακρίβεια RMS ρεύματος και τάσης, αλλά κανονικά δεν αντικαθιστά έναν αναλυτή ποιότητας ισχύος για την ανάλυση τάξης αρμονικών, τάσεων, κατεύθυνσης και συμμόρφωσης.

3. Καταγράψτε αντιπροσωπευτικές συνθήκες λειτουργίας

Καταγράψτε τις μετρήσεις σε όλες τις καταστάσεις λειτουργίας αντί να βασίζεστε σε ένα μεμονωμένο στιγμιότυπο:

• ελάχιστο, κανονικό και μέγιστο φορτίο εγκατάστασης;
• επιτάχυνση κινητήρα, σταθερή λειτουργία και συνθήκες χαμηλής ταχύτητας;
• τρόποι λειτουργίας UPS ή φορτιστή;
• βαθμίδες συστοιχίας πυκνωτών που τίθενται σε και εκτός λειτουργίας;
• λειτουργία γεννήτριας και δικτύου όπου είναι δυνατή και η συνύπαρξή τους;
• κύκλοι παραγωγής που σχετίζονται με παράπονα ή υπερθέρμανση.

4. Καταγραφή πλαισίου με κάθε τιμή THD

Τουλάχιστον, καταγράψτε:

• σημείο μέτρησης και διαμόρφωση συστήματος;
• τάση φάσης-φάσης και φάσης-ουδετέρου, κατά περίπτωση;
• ενεργός τιμή (RMS) ρεύματος φάσης και ουδετέρου;
• THDv, THDi και TDD όπου είναι σχετικά;
• μεμονωμένο φάσμα αρμονικών και τιμές φάσης;
• kW, kVA, kvar, συντελεστής ισχύος και κατάσταση φορτίου;
• κατάσταση μετασχηματιστή τροφοδοσίας, αγωγού και συστοιχίας πυκνωτών;
• χρονική σήμανση και διάστημα καταγραφής.

5. Ιχνηλάτηση της πηγής συστηματικά

Ξεκινήστε από το σημείο αξιολόγησης και συγκρίνετε τις ενδείξεις ανάντη και κατάντη. Εάν η παραμόρφωση αυξάνεται απότομα όταν τροφοδοτείται ένας κλάδος, συνεχίστε προς αυτόν τον κλάδο. Εάν αρκετοί κλάδοι παρουσιάζουν παρόμοια παραμόρφωση τάσης, ερευνήστε τον κοινό ζυγό, τον συντονισμό των πυκνωτών ή την ανάντη πηγή.

Η σωστή ακολουθία είναι μέτρηση, εντοπισμός, μοντελοποίηση, μετριασμός και επαλήθευση. Η εγκατάσταση ενός φίλτρου πριν από τον καθορισμό αυτής της γραμμής βάσης μπορεί να αποκρύψει ένα σύμπτωμα, αφήνοντας την πραγματική πηγή ή τον συντονισμό αμετάβλητο.

Πώς εφαρμόζονται τα πρότυπα στις αρμονικές

Αναφορά	Κύριος ρόλος	Πρακτικό όριο
IEEE 519-2022	Στόχοι παραμόρφωσης τάσης και ρεύματος συστήματος	Εφαρμόζεται στο PCC του χρήστη υπό καθορισμένες συνθήκες μόνιμης κατάστασης· τα όρια ρεύματος εξαρτώνται από το πλαίσιο του συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της ισχύος βραχυκύκλωσης σε σχέση με τη ζήτηση
IEC 61000-4-7	Όργανα μέτρησης αρμονικών και ενδοαρμονικών	Καθορίζει τον τρόπο ομαδοποίησης και μέτρησης των φασματικών συνιστωσών για την αξιολόγηση του εξοπλισμού και του συστήματος τροφοδοσίας
IEC 61000-4-30:2025	Μέθοδοι μέτρησης ποιότητας ισχύος in-situ	Καθορίζει επαναλήψιμες μεθόδους και προσεγγίσεις Κατηγορίας A/Κατηγορίας S για παραμέτρους που περιλαμβάνουν αρμονικές τάσης και ρεύματος
IEC 61000-2-4:2024	Επίπεδα συμβατότητας σε βιομηχανικά συστήματα διανομής ισχύος	Εφαρμόζεται σε σημείο σύζευξης εντός της εγκατάστασης και διαχωρίζει τα βιομηχανικά ηλεκτρομαγνητικά περιβάλλοντα σε καθορισμένες κλάσεις
IEC 61000-3-2 / IEC 61000-3-12	Όρια εκπομπής αρμονικών ρευμάτων για καθορισμένες κατηγορίες εξοπλισμού	Πρότυπα σε επίπεδο εξοπλισμού με καθορισμένο πεδίο εφαρμογής· δεν υποκαθιστούν μια πλήρη αξιολόγηση PCC της εγκατάστασης

Τρεις κανόνες αποτρέπουν τα περισσότερα σφάλματα σχετικά με τα πρότυπα:

1. Επιβεβαιώστε το σημείο αξιολόγησης. Ένα όριο στο PCC δεν αποτελεί αυτόματα το όριο στην είσοδο ενός VFD ή σε έναν απομακρυσμένο υποπίνακα.
2. Επιβεβαιώστε τον παρονομαστή και τη μέθοδο υπολογισμού μέσης τιμής. Οι δείκτες THDi και TDD μπορούν να παράγουν πολύ διαφορετικά ποσοστά από το ίδιο φάσμα ρεύματος.
3. Επιβεβαιώστε την ισχύουσα έκδοση και το πεδίο εφαρμογής του εξοπλισμού. Οι απαιτήσεις των εταιρειών κοινής ωφέλειας, οι προδιαγραφές του έργου, οι περιφερειακοί κώδικες δικτύου και τα πρότυπα προϊόντων ενδέχεται να προσθέτουν υποχρεώσεις πέρα από έναν γενικό οδηγό.

Ποια μέθοδο μετριασμού αρμονικών πρέπει να χρησιμοποιήσετε;

Δεν υπάρχει καθολικά βέλτιστο φίλτρο. Επιλέξτε τη μέθοδο με βάση το φάσμα της πηγής, τη μεταβλητότητα του φορτίου, τη σύνθετη αντίσταση του ηλεκτρικού συστήματος, την απαιτούμενη απόδοση, τον διαθέσιμο χώρο, τις απώλειες, τη δυνατότητα συντήρησης και τη μελλοντική επέκταση.

Κατάσταση	Επιλογές μετριασμού προς αξιολόγηση	Τεχνικές εκτιμήσεις
Ένας συμβατικός οδηγός έξι παλμών	Αντιδραστήρας γραμμής AC, πηνίο εξομάλυνσης DC, παθητικό φίλτρο αρμονικών, ρυθμιστής στροφών χαμηλών αρμονικών ή ρυθμιστής στροφών με ενεργό μέτωπο (active-front-end)	Απαιτούμενη μείωση, εύρος φορτίου, πτώση τάσης, απόδοση, αποτύπωμα, διάταξη παράκαμψης (bypass)
Πολλαπλά μη γραμμικά φορτία με μεταβαλλόμενη ζήτηση	Κεντρικό ή κατανεμημένο ενεργό φίλτρο αρμονικών	Θέση Μ/Σ έντασης (CT), ρεύμα αντιστάθμισης, τάξεις αρμονικών, διαφοροποίηση φορτίου, περιθώριο επέκτασης
Σταθερές κυρίαρχες τάξεις αρμονικών	Συντονισμένο ή ευρυζωνικό παθητικό φίλτρο	Σύνθετη αντίσταση δικτύου, ανοχή συντονισμού, λειτουργία πυκνωτή, συντονισμός, λειτουργία γεννήτριας
Διόρθωση συντελεστή ισχύος σε παραμορφωμένο δίκτυο	Αποσυντονισμένη συστοιχία πυκνωτών ή μελετημένη συστοιχία φίλτρων	Υπάρχον φάσμα, συχνότητα συντονισμού, ρεύμα πυκνωτή, κύκλος μεταγωγής, ρυθμίσεις ελεγκτή
Υψηλό ρεύμα αρμονικών τριπλάσιας τάξης σε τετραπολικό σύστημα	Μείωση εκπομπών της πηγής, ανακατανομή φορτίων, χρήση κατάλληλης διήθησης και επανεξέταση του σχεδιασμού του ουδετέρου/μετασχηματιστή	Μέτρηση ρεύματος ουδετέρου, θερμική ικανότητα αγωγού, καταλληλότητα μετασχηματιστή, μελλοντικό ηλεκτρονικό φορτίο
Νέο έργο με μεγάλη ζήτηση ανορθωτή	Πολυπυλσικός ανορθωτής, μετασχηματιστής μετατόπισης φάσης, ενεργό μέτωπο εισόδου (active front end) ή καθορισμένος εξοπλισμός χαμηλών αρμονικών	Ισχύς πηγής, εφεδρεία, πολυπλοκότητα μετασχηματιστή, κόστος κύκλου ζωής, στόχος συμμόρφωσης
Υφιστάμενος εξοπλισμός που παρουσιάζει ήδη υπερθέρμανση	Μείωση φορτίου και έλεγχος θερμικού κινδύνου πριν από τη μόνιμη αποκατάσταση	Αρμονική ανάλυση, επιθεώρηση συνδέσεων, εξαερισμός, κατάσταση αγωγών και μετασχηματιστή

Αντιδραστήρες γραμμής (Line Reactors) και DC Chokes

Οι αντιδραστήρες προσθέτουν σύνθετη αντίσταση και εξομαλύνουν το ρεύμα που απορροφάται από φορτία ανορθωτών. Είναι σχετικά απλοί και ανθεκτικοί, αλλά το αποτέλεσμά τους εξαρτάται από τη σύνθετη αντίσταση της πηγής και τον σχεδιασμό του ρυθμιστή στροφών. Μειώνουν αντί να εξαλείφουν το αρμονικό ρεύμα και εισάγουν πτώση τάσης και απώλειες.

Παθητικά αρμονικά φίλτρα

Τα παθητικά φίλτρα συνδυάζουν επαγωγείς και πυκνωτές για να παρέχουν διαδρομή χαμηλής σύνθετης αντίστασης για επιλεγμένες αρμονικές συχνότητες ή εξασθένηση ευρέος φάσματος. Μπορούν να είναι αποτελεσματικά για σταθερά, προβλέψιμα φορτία, αλλά πρέπει να σχεδιάζονται με βάση το πραγματικό δίκτυο. Η αποσυντονισμένη λειτουργία (detuning), οι ανοχές των εξαρτημάτων, η διακύμανση του φορτίου και η αλληλεπίδραση με γεννήτριες ή άλλες συστοιχίες πυκνωτών απαιτούν αξιολόγηση.

Ενεργά φίλτρα αρμονικών

Ένα ενεργό φίλτρο αρμονικών μετρά την παραμόρφωση και εγχέει ρεύμα αντιστάθμισης. Προσαρμόζεται καλύτερα σε μεταβαλλόμενα προφίλ φορτίου και μπορεί να στοχεύσει πολλαπλές τάξεις αρμονικών, αλλά η ικανότητα ρεύματος, η διάταξη των CT, η απόκριση, το περίβλημα, οι απώλειες και οι στόχοι ελέγχου πρέπει να καθορίζονται.

Ρυθμιστές στροφών χαμηλών αρμονικών και ενεργά μετωπικά στάδια (Active Front Ends)

Οι αρχιτεκτονικές ρυθμιστών στροφών χαμηλών αρμονικών μειώνουν την παραμόρφωση στην πηγή αντί να αντισταθμίζουν πολλά φορτία σε έναν κοινό ζυγό. Μπορεί να απλοποιούν μια νέα εγκατάσταση, αλλά επηρεάζουν το κόστος, το αποτύπωμα, τις απώλειες, την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα και τη στρατηγική συντήρησης. Η δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας (regenerative capability) και η χαμηλή αρμονική παραμόρφωση αποτελούν ξεχωριστές απαιτήσεις, ακόμη και όταν ένα προϊόν προσφέρει και τα δύο.

Μια πρακτική ροή εργασίας διερεύνησης αρμονικών

1. Καθορίστε το παράπονο και το όριο. Προσδιορίστε την υπερθέρμανση, τη λειτουργία χωρίς προφανή αιτία, τη συμμόρφωση, την επέκταση ή τη δυσλειτουργία του εξοπλισμού ως το κύριο πρόβλημα.
2. Εξετάστε το μονογραμμικό διάγραμμα και το απόθεμα φορτίων. Σημειώστε τα μη γραμμικά φορτία, τις συστοιχίες πυκνωτών, τις γεννήτριες, τους μετασχηματιστές και τις μεγάλες τροφοδοτικές γραμμές.
3. Καθορίστε μια τιμή αναφοράς στο PCC ή στον κύριο ζυγό. Καταγράψτε την τάση, την ένταση, τη ζήτηση, το THD/TDD και το φάσμα αρμονικών.
4. Εντοπίστε τις κυρίαρχες τάξεις προς τα φορτία των υποκυκλωμάτων. Συγκρίνετε τις αλλαγές καθώς τα κύρια φορτία τίθενται σε λειτουργία.
5. Ελέγξτε τον συντονισμό και την εμπέδηση του ηλεκτρικού συστήματος. Συμπεριλάβετε τα δεδομένα του μετασχηματιστή και της συστοιχίας πυκνωτών στη μελέτη.
6. Επιλέξτε την κατάλληλη λύση μετριασμού. Συγκρίνετε τη μείωση πηγής, την παθητική φιλτράρισμα, την ενεργή φιλτράρισμα και τα μέτρα αντοχής του εξοπλισμού.
7. Μοντελοποιήστε την αναμενόμενη απόδοση. Ελέγξτε τις καταστάσεις λειτουργίας κανονικής, ελάχιστης, μέγιστης, δικτύου και γεννήτριας.
8. Εφαρμόστε με προστασία και θερμικό σχεδιασμό. Συντονίστε τους αγωγούς, τις διατάξεις μεταγωγής, τον αερισμό και την προστασία φίλτρου.
9. Επαναλάβετε τις αρχικές μετρήσεις. Επαληθεύστε τη βελτίωση στις ίδιες θέσεις και σε συγκρίσιμες καταστάσεις φορτίου.

Συνηθισμένα λάθη κατά την αξιολόγηση αρμονικών

Αντιμετώπιση κάθε ποσοστού THD ως ίδιας ποσότητας

Πάντα να επισημαίνετε την τιμή ως THDv, THDi ή TDD και να καταγράφετε τον παρονομαστή της. Ένα ποσοστό χωρίς τη μετρούμενη ποσότητα και τη θέση είναι ελλιπή δεδομένα.

Μέτρηση μόνο στο μη γραμμικό φορτίο

Μια μέτρηση στον ακροδέκτη φορτίου περιγράφει το φορτίο, αλλά δεν τεκμηριώνει τη συμμόρφωση της εγκατάστασης ή την επίδραση στο PCC. Να μετράτε και στα δύο σημεία όπου απαιτείται.

Χρήση του THD χωρίς το φάσμα αρμονικών

Δύο συστήματα μπορεί να έχουν το ίδιο THD αλλά να χρειάζονται διαφορετική αντιμετώπιση επειδή οι κυρίαρχες τάξεις τους διαφέρουν. Διατηρήστε τα δεδομένα των επιμέρους αρμονικών.

Εγκατάσταση πυκνωτών χωρίς έλεγχο συντονισμού

Οι πυκνωτές μπορούν να μετατοπίσουν τον συντονισμό του δικτύου προς μια υπάρχουσα αρμονική. Ελέγξτε το αρμονικό περιεχόμενο και την εμπέδηση πριν προσθέσετε ή επεκτείνετε τη διόρθωση συντελεστή ισχύος.

Υποθέτοντας ότι ένα SPD αφαιρεί αρμονικές

Μια συσκευή προστασίας από υπερτάσεις (SPD) περιορίζει τη μεταβατική υπέρταση σύμφωνα με τον σχεδιασμό της· δεν φιλτράρει συνεχώς αρμονικές χαμηλής τάξης της συχνότητας ισχύος. Οι αρμονικές και οι υπερτάσεις απαιτούν διαφορετικές αξιολογήσεις και προστατευτικά μέτρα. Για το όριο προστασίας από μεταβατικές καταστάσεις, δείτε τι κάνει μια διάταξη προστασίας από υπερτάσεις.

Αντιμετώπιση ενός μεγαλύτερου ουδετέρου ή μετασχηματιστή ως μέτρο μετριασμού στην πηγή

Ο θερμικά ανθεκτικός εξοπλισμός μπορεί να αντέχει καλύτερα το αρμονικό φορτίο, αλλά δεν μειώνει απαραίτητα την έγχυση αρμονικών ή την παραμόρφωση τάσης. Διαχωρίστε τα μέτρα αντοχής από τη μείωση εκπομπών.

Συχνές Ερωτήσεις

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ αρμονικών και THD;

Οι αρμονικές είναι τα επιμέρους στοιχεία συχνότητας σε ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας. Το THD είναι ένα ποσοστό που αντιπροσωπεύει το μέγεθος της τετραγωνικής ρίζας του αθροίσματος των τετραγώνων αυτών των αρμονικών στοιχείων σε σχέση με μια καθορισμένη αναφορά.

Το THD μετράται στην τάση ή στο ρεύμα;

Μπορεί να μετρηθεί και στα δύο. Το THDv περιγράφει την παραμόρφωση της κυματομορφής τάσης, ενώ το THDi περιγράφει την παραμόρφωση της κυματομορφής ρεύματος. Η ποσότητα πρέπει να δηλώνεται επειδή τα αίτια, τα όρια και η ερμηνεία διαφέρουν.

Γιατί η ολική αρμονική παραμόρφωση (THD) ρεύματος μπορεί να φαίνεται πολύ υψηλή σε χαμηλό φορτίο;

Το THDi διαιρεί το αρμονικό ρεύμα με το στιγμιαίο θεμελιώδες ρεύμα. Σε χαμηλό φορτίο, ο θεμελιώδης παρονομαστής γίνεται μικρός, επομένως το ποσοστό μπορεί να αυξηθεί ακόμη και αν το απόλυτο αρμονικό ρεύμα δεν έχει αυξηθεί. Ελέγξτε το μέγεθος του ρεύματος, το φάσμα και το TDD όπου εφαρμόζεται.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ THDi και TDD;

Το THDi αναφέρεται στο αρμονικό ρεύμα σε σχέση με το θεμελιώδες ρεύμα κατά τη στιγμή της μέτρησης. Το TDD αναφέρεται σε ένα καθορισμένο ρεύμα φορτίου μέγιστης ζήτησης. Επομένως, το TDD είναι πιο σταθερό για την αξιολόγηση του PCC σε συνθήκες μεταβαλλόμενου φορτίου.

Οι αρμονικές αυξάνουν πάντα το ρεύμα του ουδετέρου;

Όχι σε κάθε ηλεκτρικό σύστημα. Η ανησυχία είναι πιο έντονη σε τριφασικά συστήματα τεσσάρων αγωγών που τροφοδοτούν πολλά μονοφασικά μη γραμμικά φορτία, όπου τα ρεύματα των αρμονικών τρίτης τάξης (triplen) μπορούν να αθροίζονται στον ουδέτερο. Μετρήστε απευθείας τον ουδέτερο αντί να υποθέτετε ότι υπάρχει εξουδετέρωση.

Μπορεί μια συστοιχία πυκνωτών να μειώσει την THD;

Μόνο όταν έχει σχεδιαστεί ως μέρος ενός συστήματος φιλτραρίσματος αρμονικών ή αποσυντονισμένης αντιστάθμισης. Μια τυπική συστοιχία πυκνωτών ενδέχεται να μην μειώσει την THD και μπορεί να ενισχύσει την παραμόρφωση εάν συντονιστεί με την επαγωγή του συστήματος.

Μήπως ένα αντικεραυνικό προστασίας από υπερτάσεις (SPD) φιλτράρει τις αρμονικές;

Όχι. Ένα SPD αντιμετωπίζει τις μεταβατικές υπερτάσεις. Οι αρμονικές είναι συνιστώσες της κυματομορφής σε μόνιμη κατάσταση ή επαναλαμβανόμενες, οι οποίες απαιτούν μείωση στην πηγή, αντιδραστήρες, αρμονικά φίλτρα ή άλλα μέτρα ποιότητας ισχύος.

Πού πρέπει να λαμβάνονται οι μετρήσεις σύμφωνα με το πρότυπο IEEE 519;

Το IEEE 519 καθορίζει στόχους παραμόρφωσης σε μόνιμη κατάσταση στο σημείο κοινής σύνδεσης (PCC) του χρήστη. Το πραγματικό PCC πρέπει να προσδιορίζεται από τη διάταξη της παροχής και του έργου, αντί να θεωρείται ότι είναι κάθε ακροδέκτης εξοπλισμού.

Ποιο όργανο απαιτείται για τη μέτρηση του THD;

Χρησιμοποιήστε έναν αναλυτή ποιότητας ισχύος κατάλληλο για τον στόχο της αξιολόγησης, ο οποίος να είναι ικανός να καταγράφει τριφασική τάση, ρεύμα, φάσμα αρμονικών, THD και TDD όταν απαιτείται. Ένα πολύμετρο true-RMS είναι χρήσιμο για ακριβείς τιμές RMS σε παραμορφωμένες κυματομορφές, αλλά συνήθως δεν μπορεί να εκτελέσει μια πλήρη μελέτη αρμονικών.

Συμπέρασμα

Η αξιολόγηση των αρμονικών δεν είναι μια αναζήτηση για έναν αποδεκτό αριθμό THD. Είναι μια δομημένη διερεύνηση των συνιστωσών της κυματομορφής, της θέσης μέτρησης, της ισχύος του συστήματος, της συμπεριφοράς του φορτίου και της αλληλεπίδρασης του εξοπλισμού.

Ξεκινήστε διακρίνοντας τα THDv, THDi και TDD. Μετρήστε στο σωστό όριο υπό αντιπροσωπευτικές συνθήκες λειτουργίας, διατηρήστε το φάσμα των επιμέρους αρμονικών και εντοπίστε τις κυρίαρχες τάξεις προς τις πηγές τους. Στη συνέχεια, επιλέξτε τον περιορισμό που ταιριάζει στο δίκτυο: αντιδραστήρες για σύνθετη αντίσταση και εξομάλυνση, παθητικά φίλτρα για προβλέψιμα φάσματα, ενεργά φίλτρα για μεταβαλλόμενα φορτία ή εξοπλισμό χαμηλών αρμονικών όταν η μείωση στην πηγή είναι η καλύτερη απόφαση για το ηλεκτρικό σύστημα.

Για τους κατασκευαστές πινάκων και τους OEMs, η πιο σημαντική προδιαγραφή δεν είναι απλώς το “χαμηλό THD”. Είναι μια καθορισμένη απαίτηση απόδοσης που συνδέεται με το PCC ή τον ακροδέκτη του εξοπλισμού, το εύρος φορτίου λειτουργίας, το εφαρμοστέο πρότυπο, τη μέθοδο μέτρησης και τη διαδικασία επαλήθευσης.

Βιβλιογραφικές αναφορές

• IEEE 519-2022: Πρότυπο για τον έλεγχο αρμονικών σε ηλεκτρικά συστήματα ισχύος
• IEC 61000-4-7: Μετρήσεις αρμονικών και ενδιάμεσων αρμονικών και εξοπλισμός μέτρησης
• IEC 61000-4-30:2025: Μέθοδοι μέτρησης ποιότητας ισχύος
• IEC 61000-2-4:2024: Επίπεδα συμβατότητας σε βιομηχανικά συστήματα διανομής ισχύος
• Schneider Electric: Θέματα ποιότητας ισχύος
• ABB Technical Guide No. 6: Οδηγός για τις αρμονικές με AC drives
• Fluke: Αντιμετώπιση προβλημάτων αρμονικών ισχύος