Τεχνικά άρθρα

Αρμονικές: Βασικές έννοιες που πρέπει να γνωρίζετε

Αρμονικές: Βασικές έννοιες που πρέπει να γνωρίζετεΤο φαινόμενο των αρμονικών άρχισε να κάνει αισθητή την παρουσία του εδώ και αρκετές δεκαετίες. Είναι ένα φαινόμενο που γίνεται ολοένα και εντονότερο με την εκτεταμένη χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις και στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας.

Παρ’ όλα αυτά, πολλές βιομηχανίες ή ιδιοκτήτες ηλεκτρικών εγκαταστάσεων δεν έχουν επαρκή γνώση του φαινομένου. Έτσι, είτε αντιμετωπίζουν σημαντικά προβλήματα σε σχέση με την λειτουργία του εξοπλισμού τους, είτε εκτίθενται – πολλές φορές εν αγνοία τους – σε διάφορους κινδύνους, που προκαλούνται από την ύπαρξη αρμονικών στον εξοπλισμό τους.

Τι είναι οι αρμονικές

Τα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας εναλλασσόμενης τάσης λειτουργούν σε συχνότητα 50 Hz (στις ΗΠΑ 60 Hz). Αυτή η συχνότητα ονομάζεται βασική ή θεμελιώδης.

Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας των συστημάτων αυτών πολλές φορές δημιουργούνται τάσεις και ρεύματα διαφορετικών (υψηλότερων) συχνοτήτων π.χ. 100 Hz, 150 Hz, 250 Hz κλπ. Οι συχνότητες αυτές που αποτελούν ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους λέγονται αρμονικές.

Έτσι, για παράδειγμα, η συχνότητα των 150 Hz ονομάζεται 3η αρμονική, η συχνότητα 250 Hz  5η αρμονική κοκ. Κατ’ επέκταση, οι συνιστώσες τάσης ή ρεύματος αυτών των υψηλοτέρων συχνοτήτων λέγονται αρμονικές τάσης ή αρμονικές ρεύματος αντίστοιχα.

Αιτίες και εφαρμογές αρμονικών

Η συνηθέστερη αιτία δημιουργίας αρμονικών στα ηλεκρικά δίκτυα είναι η ύπαρξη μη γραμμικών φορτίων και οι διατάξεις των ημιαγωγικών στοιχείων.

Τα μη γραμμικά φορτία και οι διατάξεις των ημιαγωγικών στοιχείων παρουσιάζονται κυρίως στη βιομηχανία, στα κτίρια (κτιριακά συγκροτήματα, ξενοδοχεία, νοσοκομεία, αεροδρόμια κλπ), στη ναυτιλία, σε έργα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (ΑΠΕ κλπ) και σε πλατφόρμες εξόρυξης πετρελαίου.

Σαν γενικός κανόνας, οι αρμονικές δημιουργούνται περισσότερο όπου υπάρχει μεγάλος αριθμός διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος (ανορθωτές, αντιστροφείς, μετατροπείς κλπ).

Ειδικότερα στη βιομηχανία, σημαντικές πηγές αρμονικών αποτελούν οι διατάξεις ηλεκτρικού τόξου, οι συσκευές συγκόλησης, οι εργαλειομηχανές CNC, οι ηλεκτρικοί φούρνοι κ.ά.

Σε μεγάλα κτιριακά συγκροτήμα όπως κτίρια γραφείων, εμπορικά κέντρα, ξενοδοχεία κλπ, παρατηρείται συχνά εμφάνιση αρμονικών λόγω της εκτεταμένης χρήσης ηλεκτρονικών συσκευών, ηλεκτρονικών υπολογιστών, UPS,  κλιματιστικών κλπ.

Στα νοσοκομεία δημιουργούνται αρμονικές λόγω του ειδικού ιατρικού εξοπλισμού που χρησιμοποιείται, όπως αξονικοί και μαγνητικοί τομογράφοι, συσκευές υπερήχων, ακτινοβολιών κλπ.

Το μέγεθος των αρμονικών εξαρτάται κυρίως από τη σύνθετη αντίσταση του δικτύου και τον τρόπο αλληλεπίδρασης με τα επιμέρους στοιχεία που συνδέονται σε αυτό. Δίκτυα με μεγάλη σύνθετη αντίσταση είναι λιγότερο επιρρεπή στην εμφάνιση αρμονικών.

Προβλήματα που δημιουργούνται από τις αρμονικές

Η εμφάνιση αρμονικών – με άλλα λόγια, η εμφάνιση υψηλότερων συχνοτήτων σε ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους – δημιουργεί διάφορα προβλήματα.

Τα πιο σοβαρά και συνήθη προβλήματα που δημιουργούνται από τις αρμονικές είναι – επιγραμματικά – τα εξής:

  • Καταπόνηση, γήρανση και βλάβες εξοπλισμού
  • Αυξημένη κατανάλωση ενέργειας ή καυσίμων
  • Αυξημένες απώλειες (κυρίως θερμικές) λόγω των υψηλών ρευμάτων
  • Απρόβλεπτες διακοπές λειτουργίας σε γραμμές παραγωγής
  • Καταστροφή ηλεκτρονικού εξοπλισμού, συστημάτων ελέγχου κλπ
  • Ηλεκτρικά τόξα, σπινθηρισμοί, φωτιές κλπ.
  • Flickering (διαμόρφωση 1ης αρμονικής σε χαμηλότερες συχνότητες), καταστροφή φωτιστικών και blackouts
  • Μείωση του συντελεστή ισχύος cosφ
  • Παραμόρφωση τάσης (οδοντώσεις, βυθίσεις κλπ)
  • Διαταραχές στη λειτουργία γεννητριών και κινητήρων (ρεύματα πέδησης, θόρυβος κλπ.)
  • Υπερτάσεις λόγω συντονισμού

Μετρήσεις αρμονικών

Η παρουσία αρμονικών μπορεί να διαπιστωθεί μόνο με την πραγματοποίηση ειδικών μετρήσεων.

Απαραίτητες προϋποθέσεις για τη διενέργεια αξιόπιστων μετρήσεων είναι η χρήση εξειδικευμένων οργάνων μέτρησης υψηλής ακρίβειας και η εκτέλεση των εργασιών μετρήσεων από εξειδικευμένο και έμπειρο τεχνικό προσωπικό.

Τα όργανα μέτρησης θα πρέπει υποχρεωτικά να είναι διακριβωμένα και να καλύπτουν πλήρως τις απαιτήσεις του διεθνούς προτύπου EN 50160, που προδιαγράφει τις απαιτήσεις όλων των θεμάτων ποιότητας ισχύος.

Παράλληλα, το τεχνικό προσωπικό θα πρέπει να διαθέτει την ανάλογη εξειδίκευση, τεχνική κατάρτιση και εμπειρία, ώστε αφενός να γίνονται σωστά οι απαραίτητες συνδέσεις, με λήψη όλων των απαραίτητων μέτρων ασφαλειας, αφετέρου να πραγματοποιείται σωστή καταγραφή και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, προκειμένου να ακολουθήσει η επεξεργασία τους στο στάδιο της μελέτης (εφόσον κριθεί απαραίτητο).

Για την προαναφερόμενη αξιολόγηση των μετρήσεων χρησιμοποιούνται οι δείκτες συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης THD (Total Harmonic Distortion) τόσο για τις τάσεις THDv όσο και για τα ρεύματα (THDi) σύμφωνα με τους ακόλουθους τύπους:

Δείκτης THD

Οι δείκτες αυτοί δείχνουν πόσο μεγάλη (επί τοις %) είναι η επίδραση των αρμονικών συνιστωσών σε σχέση με τη θεμελιώδη συνιστώσα τάσης ή ρεύματος των 50 Hz. Αρμονικές μεγάλου πλάτους σημαίνει αύξηση του δείκτη THD.

Σύμφωνα με τα περισσότερα διεθνή πρότυπα (IEEE, IEC, EN) η τιμή του δείκτη THDv πρέπει να είναι κάτω του 5% για τις περισσότερες εφαρμογές, ενώ σε εγκαταστάσεις ειδικών απαιτήσεων, όπως νοσοκομεία και αεροδρόμια, ο δείκτης αυτός δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το 3%.

Συμπέρασμα

Οι αρμονικές είναι ένα φαινόμενο που μπορεί να προκαλέσει διάφορα προβλήματα σε βιομηχανικές, κτιριακές και ναυτιλιακές εφαρμογές και ως εκ τούτου, δεν πρέπει να αγνοείται ή να υποτιμάται.

Βασική προϋπόθεση για τη διαχείριση των κινδύνων που συνεπάγονται οι αρμονικές, είναι η εκτέλεση των σχετικών μετρήσεων της εγκατάστασης, ώστε να γίνει ο υπολογισμός του μεγέθους των αρμονικών και να ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα.

Αν ο δείκτης THDv κυμαίνεται σε επίπεδα κάτω των προδιαγραφόμενων ορίων του 5% (ή 3% σε εγκαταστάσεις ειδικών απαιτήσεων), η λειτουργία της εγκατάστασης μπορεί να θεωρείται ασφαλής.

Σε διαφορετική περίπτωση πρέπει υποχρεωτικά να εκπονηθεί τεχνική μελέτη, βασισμένη στα αποτελέσματα των μετρήσεων, ώστε να διαμορφωθεί η κατάλληλη τεχνική πρόταση για την συνολική αντιμετώπιση του προβλήματος.

πηγή: emmis.gr