ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Ποιότητα ισχύος ηλεκτρικής εγκατάστασης

Η ποιότητα ισχύος αφορά την ποιότητα της τάσης και την ποιότητα του ρεύματος που φθάνει σε μια εγκατάσταση ή ένα φορτίο.

 Η ποιότητα της τάσης εξαρτάται από την ποιότητα της παρεχόμενης ενέργειας και καθορίζεται από την εταιρεία ηλεκτρισμού.
 Η ποιότητα του ρεύματος έχει να κάνει με τον καταναλωτή, δηλαδή την συμπεριφορά του φορτίου.

Το πρόβλημα των αρμονικών

Τα προηγούμενα χρόνια, τα περισσότερα φορτία ήταν γραμμικά
(επαγωγικοί κινητήρες, αντιστάσεις θέρμανσης, λάμπες πυρακτώσεως) δηλαδή η κυματομορφή της τάσης ήταν ίδια με αυτή του ρεύματος (εικ. 1).

Σήμερα, όμως, χρησιμοποιούνται ευρέως φορτία μη γραμμικά (εικ. 2), τα οποία όταν συνδέονται με μία πηγή τάσης ημιτονοειδούς μορφής άγουν ρεύμα μη ημιτονοειδούς μορφής.

 Το φαινόμενο αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μόλυνση του δικτύου με αρμονικές και ειδικότερα με συνιστώσες του ρεύματος σε συχνότητες πολλαπλάσιες των 50 Hz (2ης,3ης,4ης, 5ης, ...μέχρι την 49ης τάξης) και συχνότητας αντίστοιχα (100Hz, 150Hz, 200Hz μέχρι 2550Ηz) οι οποίες διαρρέουν τα καλώδια τροφοδοσίας των φορτίων και πλήττουν ολόκληρη την ηλεκτρική εγκατάσταση.
Τα προβλήματα τα δημιουργούν συνήθως οι 3η,5η και 7η αρμονική

Οι αρμονικές δημιουργούνται από: 

τους ρυθμιστές στροφών κινητήρων,
τις ηλεκτροσυγκολλήσεις,
τα  UPS,
τα ηλεκτρονικά ballast,
τους λαμπτήρες εκκένωσης,
 τα τροφοδοτικά των υπολογιστών, τους επαγωγικούς φούρνους κ.λπ.

Εάν έχουμε π.χ ένα πλυντήριο στο οποίο παρόλο που του δίνουμε ημιτονοειδές ρεύμα, αυτό τραβάει μη ημιτονοειδές. 

Υπάρχουν οι χαρακτηρισμοί:

• Περιττές αρμονικές (5η, 7η, ...)
• Άρτιες αρμονικές (2η, 4η, ...)
• Τριπλές αρμονικές (3η, 9η, 15η, ...)

1. Όλα τα μη γραμμικά φορτία δεν παράγουν το ίδιο εύρος αρμονικών.

2. Οι συνηθέστερες αρμονικές είναι περιττής τάξης (3ης, 5ης, 7ης, κλπ). 

Άρα οι αρμονικές είναι ημιτονοειδής συνιστώσες του εναλλασσομένου ρεύματος διαφορετικής συχνότητας οι οποίες παραμορφώνουν την καθαρή ημιτονοειδή κυματομορφή του.

Το τμήμα του εξοπλισμού που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια απ’ευθείας σε θερμότητα αξιοποιεί την ενέργεια των αρμονικών και έτσι δεν υπάρχει πρόβλημα.
Το πιο ευαίσθητο τμήμα του εξοπλισμού είναι αυτό που σχεδιάστηκε έτσι ώστε να δέχεται μια τέλεια ημιτονοειδή είσοδο (εφαρμογές τηλεπικοινωνιών και επεξεργασίας δεδομένων).
Οι κινητήρες βρίσκονται σε μια κατηγορία που βρίσκεται σε ένα ενδιάμεσο επίπεδο καθώς επηρεάζονται αρκετά από το αρμονικό περιεχόμενο.
Ακόμα όμως και στις περιπτώσεις φορτίων που επηρεάζονται λιγότερο από τις ανώτερες αρμονικές, αυτές μπορούν να αποβούν επιβλαβείς. Για παράδειγμα σε ένα ωμικό φορτίο μπορούν να προκαλέσουν θέρμανση του διηλεκτρικού ή αύξηση της τιμής της τάσης με αποτέλεσμα να επέλθει γήρανση στη μόνωση.

Στο πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζεται η κυματομορφή και η αρμονική παραμόρφωση για διάφορα είδη φορτίων

Τέλος, τα προβλήματα που δημιουργούνται από τις αρμονικές στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις είναι: 

η μείωση του συνφ,
οι αυξημένες απώλειες στα καλώδια
ο συντονισμός
η καταστροφή πυκνωτών και μετασχηματιστών
 φρενάρισμα των κινητήρων και αύξηση απωλειών σε κινητήρες
οι παρεμβολές σε κυκλώματα ελέγχου και τηλεπικοινωνιών...
Καταπόνηση του ουδέτερου αγωγού

Αναλυτικότερα

1. Οι µετασχηµατιστές υπερθερµαίνονται λόγω της αύξησης των απωλειών χαλκού και σιδήρου. Επίσης, καταπονούνται µηχανικά µε αποτέλεσµα να υπάρχουν σε αυξηµένο βαθµό δονήσεις και θόρυβος κατά τη λειτουργία τους.

2. Ο ουδέτερος αγωγός υπερφορτίζεται, καθώς το διανυσµατικό άθροισµα των ρευµάτων που τον διαρρέουν δεν είναι πλέον ίσο µε µηδέν (περίπτωση συµµετρικών φορτίων) με αποτέλεσμα ο ουδέτερος να διαρρέεται από ρεύμα.
Έτσι ενώ σε παλαιές εγκαταστάσεις είχαμε τη δυνατότητα να μειώσουμε τη διατομή του ουδετέρου, στις νέες αυτό δεν συμβαίνει.
Στο εξωτερικό αντί των πενταπολικών καλωδίων υπάρχουν τα εξαπολικά καλώδια με 2 αγωγούς ουδετέρου γιατί η διατομή του θα πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια των αγωγών των φάσεων.Στην Ελβετία είναι τριπλάσια και έχουν επταπολικά καλώδια με 3 αγωγούς ουδετέρου.
Αυτό γιατί επειδή που από τη στιγμή που ο αγωγός του ουδετέρου διαρρέεται από ρεύμα σημαντικά μεγαλύτερο από αυτό που έχουμε εκτιμήσει, ζεσταίνεται και η μόνωσή του καταπονείται και φθείρεται γρηγορότερα.

Σε τριφασικά κυκλώματα με ουδέτερο, οι εντάσεις των ρευμάτων της τρίτης αρμονικής καθώς και των μεγαλύτερων, περιττών, πολλαπλάσιων της τρίτης, συνιστωσών της φέρουσας των 50 Hz, που είναι γνωστές και σαν ομοπολικές ή τριπλές αρμονικές (3ης, 9ης, 15ης τάξης κ.ο.κ) αθροίζονται αριθμητικά, ως επιστροφές στον ουδέτερο αγωγό.

Σε περίπτωση τριφασικών συμμετρικών μη γραμμικών φορτίων, το ρεύμα επιστροφής του ουδετέρου δίνεται από τον τύπο: 

3. Υπάρχουσες διατάξεις πυκνωτών που κινδυνεύουν να καταστραφούν, σε περιπτώσεις όπου ο κλάδος στον οποίο συνδέονται, εµφανίζει ίδια συχνότητα µε κάποιες από τις αρµονικές που υπάρχουν στο δίκτυο. Στην περίπτωση αυτή, η σύνθετη αντίσταση του συγκεκριµένου κλάδου ελαχιστοποιείται µε αποτέλεσµα να αυξάνει κατά πολύ το ρεύµα που τον διαρρέει. Έτσι το πλάτος των αρµονικών αυξάνεται (ηλεκτρική ταλάντωση), αυξάνεται η ενεργός τάση και ένταση, οι πυκνωτές υπερθερµαίνονται και ενδέχεται είτε να καταστραφεί το διηλεκτρικό τους υλικό είτε να λιώσουν οι ασφάλειες τους µε αποτέλεσµα τη θέση τους εκτός λειτουργίας.

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει την κατά προσέγγιση συχνότητα συντονισμού (σαν πολλαπλάσιο των 50 Hz) για διάφορες τιμές της συνολικής χωρητικής αντιστάθμισης (σε βήματα των 50 kVAr) και για μετασχηματιστή 2000 kVA.

Είναι φανερό από το  γράφημα ότι:

για 1350 kVAr έχουμε συντονισμό στην 5η αρμονική,
για 700 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 7η αρμονική,
για 400 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 9η αρμονική,
για 300 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 11η αρμονική,
για 200 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 13η αρμονική,
για 150 kVAr, έχουμε συντονισμό στην 15η αρμονική.

Αυτό είναι απλώς ένα παράδειγμα εφόσον ο μετασχηματιστής είναι 2000 kVA. Για άλλους μετασχηματιστές προκύπτουν διαφορετικές τιμές.

4. Τα µέσα ζεύξης & προστασίας φθείρονται και είναι πιθανό να λειτουργήσουν ανεπιθύµητα, ιδιαίτερα αν η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται σε θερµικά µοντέλα ή για τον υπολογισµό της ενεργούς τιµής της έντασης χρησιµοποιείται το πλάτος της κυµατοµορφής της, το οποίο είναι στην περίπτωση αυτή παραµορφωµένο.

5. Κινητήρες και γεννήτριες: Οι αρμονικές στις επαγωγικές και σύγχρονες μηχανές αυξάνουν τη θερμοκρασία τους. Αυτό είναι αποτέλεσμα των απωλειών που οφείλεται στιες απώλειες σιδήρου και χαλκού που εμφανίζονται στις αρμονικές συχνότητες. Η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω των απωλειών μειώνει την απόδοσή τους καθώς και τη δυνατότητα ανάπτυξης ροπής.

Πιο συγκεκριμένα:

Οι αρμονικές ρεύματος σε μια μηχανή αυξάνουν την εκπομπή θορύβου στις ακουστικές συχνότητες έναντι της λειτουργίας με ημιτονοειδή διέγερση. Επιπροσθέτως οι αρμονικές δημιουργούν προβλήματα στην εκκίνηση των μηχανών γιατί παράγουν μια μαγνητική ροή η οποία κατανέμεται στο διάκενο αυτών.
Η 5η και 7η αρμονική έχουν τη τάση να δημιουργούν μηχανικές ταλαντώσεις σε συστήματα όπως στο σύστημα στρόβιλος-γεννήτρια και κινητήρας-φορτίο. Οι μηχανικές αυτές ταλαντώσεις οφείλονται στις αρμονικές ροπής που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση των αρμονικών ρεύματος και του μαγνητικού πεδίου της θεμελιώδους συχνότητας (βασική αρμονική). Αν η συχνότητα του μηχανικού συντονισμού βρίσκεται κοντά στη συχνότητα της ηλεκτρικής διέγερσης, τότε αναπτύσσονται πολύ ισχυρές δυνάμεις.

Εκτός από τις προηγούμενες επιπτώσεις οι ανώτερες αρμονικές έχουν σαν αποτέλεσμα τη ροή αρμονικών ρευμάτων στο δρομέα της μηχανής. Η ροή ρεύματος στο στάτη δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο διάκενο που με τη σειρά του θα προκαλέσει ροή ρεύματος στο δρομέα. Ανάλογα με το αν η αρμονική εμφανίζεται με θετική ή αρνητική ακολουθία θα προκαλέσει περιστροφή του δρομέα κατά την αντίστοιχη φορά, με αποτέλεσμα να αντιτίθεται στη φορά περιστροφής των κινητήρων και να τους φρενάρει.

Το φρενάρισμα του κινητήρα έχει σαν αποτέλεσμα την καταπόνηση των ρουλεμάν και το σκάψιμο της φωλιάς του ρουλεμάν στο καπάκι. Έτσι μετά σύντομο χρονικό διάστημα χάνεται η ευθυγράμμιση του κινητήρα με το φορτίο.

6. Η λειτουργία του ηλεκτρονικού εξοπλισµού καθίσταται αναξιόπιστη.
 Οι αρμονικές μεγάλης συχνότητας δημιουργούν προβλήματα ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών και ειδικά σε βιομηχανικούς χώρους στην λειτουργία των διαφόρων ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου (προβλήματα στα PLC, λανθασμένες εντολές ελέγχου, κλπ). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση των νεκρών χρόνων από δυσλειτουργία των ηλεκτρονικών συστημάτων και επομένως αύξηση του κόστους συντήρησης.
Οι υπολογιστές και τα PLC απαιτούν τροφοδοσία με αρμονικό περιεχόμενο τάσεων μικρότερο από 5%, με τη βασική αρμονική μικρότερη του 3% της ονομαστικής τάσης λειτουργίας

7. Σηµειώνονται λανθασµένες καταγραφές ηλεκτρικών µεγεθών από τις µετρητικές διατάξεις.

8. Γίνεται σπατάλη ενέργειας µε αποτέλεσµα οι λογαριασµοί κατανάλωσης ενέργειας να είναι υψηλότεροι.

9. Μειώνεται η εφεδρεία της ηλεκτρικής εγκατάστασης, καθώς τα ρεύµατα που διαρρέουν τα καλώδια και τους ηλεκτρικούς πίνακες, είναι σηµαντικά µεγαλύτερα λόγω των αρµονικών.

10. Ηλεκτρονόμοι: Έχει παρατηρηθεί ότι ένα ποσοστό αρμονικών της τάξεως του 10% με 20% μπορεί να προκαλέσει καθυστερημένη ή πρόωρη ενεργοποίηση των ρελέ

11. Inverters: Τα Inverters από τη φύση τους εισάγουν ανώτερες αρμονικές στο δίκτυο που ανήκουν. Τα Inverters επηρεάζονται από τις αρμονικές που παράγουν οι ίδιοι αλλά και από τις αρμονικές που παράγουν άλλες συνιστώσες του δικτύου.

Οι ανώτερες αρμονικές προκαλούν θερμική καταπόνηση σε κάποια στοιχεία του μετατροπέα αλλά είναι πιθανό να περάσουν και στη πλευρά του φορτίου. Στη περίπτωση που η είσοδος του μετατροπέα έχει αρμονικό περιεχόμενο, υπάρχει το ενδεχόμενο να έχουμε ετεροχρονισμένες εναύσεις ημιαγωγών στοιχείων, λανθασμένες μεταβάσεις ρεύματος, ή απλώς μια παραμόρφωση σε σχέση με την αναμενόμενη έξοδο. 

 Η συνολική παρουσία αρμονικών εκφράζεται με το συντελεστή συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD), (Τοtal Harmonic Distortion) ο οποίος δείχνει πόσο διαταραγμένη είναι η φέρουσα κυματομορφή:

THD(%) =      (I3%)2 + (I5%)2 + (I7%)2+. . .

Ο συντελεστής συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD) λαμβάνει υπόψη τη συνεισφορά όλων των αρμονικών, εκφράζεται ως ποσοστό επί τοις εκατό σε σχέση με τη θεμελιώδη κυματομορφή  και είναι ένας έγκυρος δείκτης ύπαρξης αρμονικών στο δίκτυο.

Πότε θα πρέπει να κάνουμε μία βαθύτερη ανάλυση των αρμονικών:

1.Σε κάθε περίπτωση που επιθυμούμε μείωση κατανάλωσης.
2.Όταν υπάρχει συχνή & αδικαιολόγητη ενεργοποίηση των ρελέ διαφυγής!
3.Όταν υπερθερμαίνεται ο ουδέτερος (καλώδια, αυτόματοι διακόπτες κλπ.)
4.Όταν υπάρχει συχνή αστοχία των πυκνωτών του συστήματος διόρθωσης Συντελεστή Ισχύος.
5.Όταν ηλεκτρονικές διατάξεις αστοχούν ή, πολύ χειρότερα, "καίγονται" χωρίς προφανή αιτία.
6.Όταν ο Μετασχηματιστής "βουίζει" παράξενα & υπερθερμαίνεται (σε κανονικές συνθήκες ο παραγόμενος θόρυβος θα πρέπει να είναι ΠΟΛΥ χαμηλός!)

Ποια είναι η πρώτη κίνηση: μα, φυσικά, η μέτρηση και η καταγραφή! 

Τι σημαίνει καταγραφή; Η εγκατάσταση εξειδικευμένων συστημάτων (hardware + software) που καταγράφουν τις αρμονικές (τάσης & ρεύματος).

Μέχρι ποια αρμονική πρέπει να καταγράφεται; Τουλάχιστον μέχρι την 30η (τα παλμοτροφοδοτικά "μολύνουν" το δίκτυο με αρμονική 29ης τάξεως!

Το THD (Total Harmonic Distortion) είναι αρκετό; :OXI, αποτελεί μόνο μία ΕΝΔΕΙΞΗ. Σκοπός είναι η ανάλυση φάσματος αρμονικών (spectrum analysis):

Η ανάλυση των αρμονικών με την απεικόνιση του φάσματος καθώς και τον υπολογισμό του THD (total harmonic distortion – συντελεστής αρμονικής παραμόρφωσης), είναι άλλη μια δυνατότητα που παρέχεται από τα όργανα μέτρησης της ποιότητας ισχύος.

Όρια αρμονικών και χρήση λανθασμένων ορίων (πηγή emmis.gr)

Όσον αφορά τις προδιαγραφές των αρμονικών, υπάρχει πληθώρα προτύπων ανά τον κόσμο, γεγονός που δημιουργεί σύγχυση για το ποια είναι τελικά τα όρια που πρέπει κανείς να επιδιώκει προκειμένου η εγκατάστασή του να λειτουργεί με ασφάλεια.

Τα πιο γνωστά διεθνή πρότυπα αρμονικών είναι τα ΙΕΕΕ 519, IEC 61000 και EN50160.

Επί σειρά ετών, υπήρχε σημαντική διαφοροποίηση ανάμεσα στα όρια των προαναφερόμενων προτύπων, καθώς το αμερικανικής έμπνευσης ΙΕΕΕ 519 ανέφερε ως όριο αρμονικής παραμόρφωσης τάσης THDv το 5%, ενώ τα ευρωπαϊκά πρότυπα IEC 61004 και ΕΝ50160 το 8%.

Μετά την τελευταία όμως αναθεώρησή του το 2014, το πρότυπο ΙΕΕΕ 519 υιοθέτησε επίσης το 8% ως όριο αρμονικής παραμόρφωσης τάσης, με αποτέλεσμα να υπάρχει πλέον πλήρης τυποποίηση μεταξύ των προτύπων.

Παρόλ’ αυτά, η εμπειρική καθιέρωση του 5% ως στόχου ακόμη και σήμερα, οδηγεί πολλούς τεχνικούς λανθασμένα σε αυξημένες απαιτήσεις αντιστάθμισης και ως εκ τούτου, σε ζήτηση υπερδιαστασιολογημένων φίλτρων (σε σχέση πάντα με τις πραγματικές τους  ανάγκες), γεγονός που αυξάνει άσκοπα το συνολικό κόστος αγοράς τους.

Χρήση μη ενδεδειγμένου δείκτη μέτρησης αρμονικών

Αντίθετα με τις αρμονικές τάσης, οι αρμονικές ρεύματος πολλές φορές συνηθίζεται να αγνοούνται.

Αυτό οφείλεται κυρίως στους εξής τρεις λόγους:

·         Συνήθως οι βλάβες του εξοπλισμού και οι διακοπές των γραμμών παραγωγής οφείλονται περισσότερο στις αρμονικές τάσης και λιγότερο σε αυτές της έντασης.

·         Το ευρωπαϊκό πρότυπο IEC 61000 δεν αναφέρει όρια αρμονικής παραμόρφωσης έντασης παρά μόνο για επίπεδα έντασης μέχρι 16 Α.

·         Πολλά όργανα μέτρησης δεν μετρούν το δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης TDD, που είναι και ο δείκτης βάσει του οποίου το πρότυπο ΙΕΕΕ 519 κατατάσσει τις εγκαταστάσεις σε κατηγορίες ανάλογα με το ύψος των αρμονικών τους.

Στο σημείο αυτό, επειδή πολλοί δεν γνωρίζουν τι σημαίνει ο δείκτης TDD και πώς επηρεάζει τις μετρήσεις κλπ, θα αφιερώσουμε λίγο χρόνο για να παρουσιάσουμε το συγκεκριμένο δείκτη.

Τι είναι όμως ο δείκτης TDD;

Για τη μέτρηση της αρμονικής παραμόρφωσης τάσης χρησιμοποιείται ο δείκτης THDv σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο.

Για τη μέτρηση της αρμονικής παραμόρφωσης ρεύματος χρησιμοποιείται ο αντίστοιχος δείκτης THDi.

Οι δύο δείκτες THD_V και THD_I έχουν μια πολύ σημαντική διαφορά.

Στον πρώτο δείκτη ο παρονομαστής είναι πάντα σταθερός στα 380 ή στα 400V μιας και οι εγκαταστάσεις λειτουργούν υπό σταθερή τάση.

Στο δεύτερο δείκτη όμως ο παρονομαστής μεταβάλλεται συνεχώς. Η ζήτηση για ρεύμα ποικίλει σε σχέση με το χρόνο καθώς μια εγκατάσταση μπορεί:

·         να λειτουργεί την ημέρα αλλά όχι τη νύχτα

·         να λειτουργεί μόνο εργάσιμες ημέρες και ώρες

·         να παράγει διαφορετικά προϊόντα ανά ημέρα, ανά ώρα ή γενικά ανά χρονική περίοδο

·         να υπερλειτουργεί ή να υπολειτουργεί ανάλογα με τις ανάγκες παραγωγής των προϊόντων

·         να έχει διαφορετικές ανάγκες θέρμανσης, κλιματισμού ή φωτισμού ανάλογα με την εποχή

Αυτή η ιδιομορφία οδήγησε στη χρήση του δείκτη TDD (Total Demand Distortion).

H διαφορά των δεικτών TDD και THDi είναι στην τιμή του παρονομαστή.

Ο δείκτης TDD έχει στον παρονομαστή τη μέγιστη τιμή έντασης  της εγκατάστασης, αντί της εκάστοτε τιμής έντασης .

Με άλλα λόγια, ο δείκτης TDD υπολογίζει την αρμονική παραμόρφωση πάντοτε ως προς το μέγιστο ρεύμα λειτουργίας της εγκατάστασης (σταθερό μέγεθος) και όχι ως προς το στιγμιαίο ρεύμα λειτουργίας (διαρκώς μεταβαλλόμενο μέγεθος) όπως ο δείκτης THDi.

Οι διαφορές των δεικτών THD και TDD περιγράφονται αναλυτικά στο παγκοσμίου φήμης άρθρο των T.Blooming & D. Carnovale.

Kατά τη μέτρηση των αρμονικών, στόχος είναι ο εντοπισμός των μέγιστων τιμών των αρμονικών (βλέπε δείκτη TDD) κατά τη λογική της ανίχνευσης του “worst case scenario” και αυτός είναι ο λόγος που το πρότυπο ΙΕΕΕ 519 αναφέρεται σε όρια του δείκτη TDD (και όχι του δείκτη THDi).

Εδώ μπορείτε να δείτε τη διαστασιολόγηση του ουδέτερου αγωγού σε ηλεκτρική εγκατάσταση με αρμονικές

Φίλτρα απόσβεσης αρμονικών

Τα φίλτρα απόσβεσης αρμονικών είναι συστήματα τα οποία παγιδεύουν τις αρμονικές και δεν τις επιτρέπουν να διεισδύσουν στο δίκτυο.

 Αποτελούνται από συνδυασμό πηνίων και ειδικών πυκνωτών κατάλληλα διαστασιολογημένων, ώστε να συντονίζουν (να ελαχιστοποιούν τη σύνθετη αντίδρασή τους) σε επιλεγμένες συχνότητες και διαχωρίζονται σε βαθμίδες.

Έχουν τη δυνατότητα ελέγχου από ρυθμιστή ο οποίος ανάλογα με τη ζήτηση του φορτίου είτε βάζει εντός, είτε θέτει εκτός βαθμίδες πηνίων –πυκνωτών, ούτως ώστε να αποφεύγεται το φαινόμενο της υπεραντιστάθμισης.

  

Τοπικά φίλτρα

Τοπικό φίλτρο το οποίο εγκαθίσταται σε μηχανή με μη γραμμικό φορτίο. Το φίλτρο παρέχει και τοπική αντιστάθμιση άεργης ισχύος (βελτιώνει το τοπικό cosφ) και απορροφά μέρος ή σύνολο των αρμονικών. Αυτά τα φίλτρα είναι σταθερά, και ακολουθούν την λειτουργία της αντίστοιχης μηχανής, δηλαδή ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται αντίστοιχα με την μηχανή. Το φυσικό μέγεθος ενός φίλτρου π.χ. 5 kVAr, 7%, είναι 450x600x270 mm και φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Είναι προφανές ότι μία τέτοια κατασκευή μπορεί να εγκατασταθεί επάνω σε μία μηχανή.

Κεντρικά φίλτρα

Εγκαθίστανται σε μερικούς ή γενικούς ηλεκτρικούς πίνακες και ελέγχουν τις αρμονικές και την άεργο ισχύ του φορτίου του πίνακα.  Τα φίλτρα αυτά μπορεί να είναι ρυθμιζόμενα όσον αφορά την ισχύ τους. Η ρύθμιση της ισχύος τους γίνεται με κοινούς ρυθμιστές cosφ με στόχο την επίτευξη cosφ μεγαλύτερου του 0,97 στον αντίστοιχο πίνακα.

Αρμονικές: Πού εμφανίζονται (πηγή emmis.gr)

Βιομηχανία

Η βιομηχανία είναι ο πρώτος τομέας που απασχόλησαν οι αρμονικές. Με τη σταδιακά αυξανόμενη χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος (θυρίστορς κλπ), οι αρμονικές εξαπλώθηκαν ραγδαία τα τελευταία έτη. Η πολυπλοκότητα του εξοπλισμού, αλλά και η αλληλεπίδρασή του με διάφορα συστήματα, δημιουργούν μεγάλα και ποικίλα φαινόμενα αρμονικών.

Οι κυριότερες πηγές παραγωγής αρμονικών στη βιομηχανία είναι οι ακόλουθες:

·         Διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος (inverters, ανορθωτές, μετατροπείς κλπ)

·         Εργαλειομηχανές CNC

·         Διατάξεις ηλεκτρικού τόξου (ηλεκτροσυγκολήσεις)

·         Ηλεκτρικοί φούρνοι

·         Αντλίες

Για την αντιμετώπιση του φαινομένου των αρμονικών στη βιομηχανία, η βέλτιστη επιλογή είναι η χρήση  ενεργών φίλτρων  διότι τα φίλτρα που καλούνται να αντιμετωπίσουν τις αρμονικές στη βιομηχανία πρέπει να χαρακτηρίζονται τόσο από υψηλή απόδοση όσο και από μεγάλη αντοχή στις δύσκολες συνθήκες του βιομηχανικού περιβάλλοντος.

Για παράδειγμα, σε βιομηχανίες που αντιμετωπίζουν μεγάλο πρόβλημα με τη σκόνη (όπως βιομηχανίες τσιμέντου, μύλοι άλεσης, λατομεία κλπ), τα συνήθη αερόψυκτα φίλτρα δεν αποδίδουν ικανοποιητικά, καθώς το σύστημα ψύξης επιβαρύνεται (ή «μπουκώνει» από τη σκόνη) με κίνδυνο να υπερθερμανθεί το φίλτρο και να καταστραφεί.

Τα ενεργά φίλτρα  διαθέτουν δυνατότητα συστήματος ψύξης νερού που εγγυάται την απόλυτη ασφάλεια και λειτουργικότητά τους, ακόμη και στα πιο επιβαρυμένα βιομηχανικά περιβάλλοντα.

Ναυτιλία

Ένας άλλος πολύ σημαντικός κλάδος με αρκετά διαδεδομένο το φαινόμενο των αρμονικών είναι η ναυτιλία. Οι αρμονικές έχουν κάνει την εμφάνισή τους σε διάφορες κατηγορίες πλοίων, εξαιτίας ποικίλων παραγόντων ανά περίπτωση.

Για παράδειγμα, στα επιβατηγά πλοία οι αρμονικές εμφανίζονται κυρίως λόγω των μεγάλων μονάδων κλιματισμού. Σε πλοία που αναπτύσσουν μεγάλες ταχύτητες (πολεμικά, θαλαμηγοί) έχουν παρατηρηθεί προβλήματα στα συστήματα πρόωσης και πηδαλίων. Τέλος, πλοία ειδικών χρήσεων (αλιευτικά, υποβρύχιων σκυροδετήσεων κλπ.) διαθέτουν πιο ιδιαίτερο εξοπλισμό, όπως ανυψωτικά, inverters κλπ. και αντιμετωπίζουν άλλες μορφές αρμονικών.

Όπως και στην περίπτωση των βιομηχανικών εφαρμογών, έτσι και στις ναυτιλιακές η αντιμετώπιση των αρμονικών γίνεται με τη χρήση των ενεργών φίλτρων.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι και στους δύο κλάδους εμφανίζονται αρμονικές ίδιας τάξης (5^η, 7^η κλπ), ενώ και οι τιμές των δεικτών αρμονικής παραμόρφωσης THD δε διαφέρουν σημαντικά.

Νοσοκομεία

Τα νοσοκομεία είναι ένας ακόμη χώρος που εντοπίζονται υψηλά επίπεδα αρμονικών.

Οι πηγές δημιουργίας αρμονικών στις νοσοκομειακές εγκαταστάσεις είναι κυρίως η συνεχώς αυξανόμενη χρήση αξονικών και μαγνητικών τομογράφων καθώς και συσκευών παραγωγής ακτίνων.

Επιπλέον, λόγω των αυξημένων απαιτήσεων ασφαλείας, τα διεθνή πρότυπα προβλέπουν για τα νοσοκομεία αυστηρότερα όρια για το ύψος των αρμονικών σε σύγκριση με άλλους κλάδους.

Πιο συγκεκριμένα, το πρότυπο IEEE 519 προβλέπει για τα νοσοκομεία μέγιστη τιμή αρμονικής παραμόρφωσης τάσης (THDv) μόλις 3%, ενώ για τη βιομηχανία η αντίστοιχη μέγιστη τιμή παραμόρφωσης είναι 8%.

Η βέλτιστη αντιμετώπιση των αρμονικών σε νοσοκομειακές εγκαταστάσεις απαιτεί τη χρήση ενεργών φίλτρων, καθώς τα ενεργά είναι το μοναδικό είδος φίλτρων με ικανότητα πλήρους απόσβεσης αρμονικών. Συνεπώς, τα ενεργά φίλτρα είναι το μοναδικό είδος φίλτρων που μπορεί να επιτύχει τα προαναφερόμενα ποσοστιαία επίπεδα αρμονικής παραμόρφωσης.

Κτιριακές εγκαταστάσεις

Σε ό,τι αφορά τις κτιριακές εγκαταστάσεις, οι αρμονικές εμφανίζονται κυρίως σε μεγάλα κτιριακά συγκροτήματα που περιλαμβάνουν μεγάλο αριθμό ηλεκτρονικού εξοπλισμού, μεγάλο αριθμό φωτιστικών σωμάτων και πλήθος UPS, που είναι εξίσου μεγάλες πηγές παραγωγής αρμονικών.

Ενδεικτικά, οι πιο κοινές περιπτώσεις εμφάνισης αρμονικών είναι οι εξής:

·         Κτίρια γραφείων εταιριών και οργανισμών

·         Ξενοδοχεία

·         Τράπεζες

·         Data Centers

Οι παραπάνω κτιριακές εγκαταστάσεις διαθέτουν μεγάλο αριθμό μονοφασικών φορτίων με αποτέλεσμα να παρουσιάζουν μεγάλες τιμές αρμονικών στον ουδέτερο αγωγό. Το γεγονός ότι σε αυτές τις περιπτώσεις το σύνολο των αρμονικών διέρχεται μέσα από τον ουδέτερο αγωγό, μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή του, καθώς η διαστασιολόγηση της διατομής του σπανίως γίνεται έχοντας λάβει υπόψιν την πιθανότητα εμφάνισης αρμονικών.

Για τέτοιες εγκαταστάσεις, έχουν αναπτυχθεί ειδικές εκδόσεις ενεργών φίλτρων με σύνδεση τεσσάρων (4) αγωγών (αντί των συνηθισμένων τριών (3) αγωγών) ώστε να αντισταθμίζονται και οι αρμονικές του ουδέτερου αγωγού.

Αντιπροσωπευτικό δείγμα αυτής της κατηγορίας φίλτρων είναι το ADF P100N της COMSYS.

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

Οι ιδιώτες παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας από μεγάλα αιολικά και φωτοβολταϊκά πάρκα αντιμετωπίζουν συχνά προβλήματα με τους διαχειριστές των εθνικών δικτύων, λόγω των υψηλών τιμών αρμονικών που περιέχει το παραγόμενο ρεύμα που εισάγεται στο δίκτυο.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο εξοπλισμός παλαιάς τεχνολογίας (ανεμογεννήτριες, panels) παράγει περισσότερες αρμονικές, τις οποίες διοχετεύει στο δίκτυο μεταφοράς μέσω των μετασχηματιστών, οι οποίοι δεν έχουν τη δυνατότητα απόσβεσης αρμονικών.

Επίσης, λόγω της ευαισθησίας και του περιορισμένου χρόνου ζωής που παρουσιάζουν οι συστοιχίες πυκνωτών, η άεργος ισχύς αυξάνεται σταδιακά, γεγονός που επιφέρει πρόσθετες χρεώσεις.

Για την αντιμετώπιση των αρμονικών σε μεγάλα έργα ΑΠΕ, απαιτούνται συνδυαστικές εφαρμογές αντιστάθμισης αρμονικών και άεργου ισχύος.

Το σύστημα ADF P700 STATCOM της COMSYS περιλαμβάνει μεγάλο αριθμό ενεργών φίλτρων ADF σε συνδυασμό με μετασχηματιστές ανύψωσης, παρέχοντας αξιόπιστες λύσεις ακόμη και σε δίκτυα Μέσης ή Υψηλής Τάσης.

Ειδικά φαινόμενα

Πέρα από τις προαναφερόμενες εφαρμογές, παρατηρούνται ιδιαίτερα φαινόμενα, τα οποία οφείλονται στις αρμονικές, ωστόσο δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν από τα συνηθισμένα ενεργά φίλτρα της αγοράς.

Τέτοια ειδικά φαινόμενα είναι το flickering και ο συντονισμός, όπως αναλύονται παρακάτω.

·         Flickering

Το flickering έχει να κάνει με τη διαμόρφωση πλάτους (ΑΜ) της τάσης των 50 Hz σε μικρότερες συχνότητες (0.5 – 20 Hz).

Η συνηθέστερη συνέπειά του, από την οποία έχει πάρει και το όνομά του είναι οι αναλαμπές του φωτισμού των εγκαταστάσεων (flicker).

Αντίθετα με την επικρατούσα εντύπωση ότι οφείλεται στα φωτιστικά παλαιάς τεχνολογίας, παρατηρούμε ότι εξακολουθεί να εμφανίζεται ακόμα και στις πιο σύγχρονες εγκαταστάσεις με φωτισμό led  κλπ.

Λόγω των πολύ μικρών συχνοτήτων που προαναφέρθηκαν, η αντιστάθμιση του flickering δεν είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα με την αντιστάθμιση των κοινών αρμονικών των 150, 250 Hz κλπ.

Συνεπώς, ο μόνος τρόπος αντιμετώπισης του φαινομένου του flickering είναι η χρήση ενεργών φίλτρων, τα οποία όμως θα πρέπει να είναι εφοδιασμένα με κατάλληλα σχεδιασμένο λογισμικό.

Τα ενεργά φίλτρα της EMMIS υποστηρίζουν τη δυνατότητα απόσβεσης του flickering, καθώς σε όλες τους τις εκδόσεις είναι πλήρως συμβατά με το αντίστοιχο λογισμικό.

·         Συντονισμός

Στο φαινόμενο του συντονισμού, η χωρητική και η επαγωγική αντίδραση εξισώνονται και αλληλοεξουδετερώνονται με αποτέλεσμα να προκαλούνται υπερεντάσεις, οι οποίες είναι καταστροφικές για τον εξοπλισμό.

Ο συντονισμός παρατηρείται σε πολλές περιπτώσεις ανεμογεννητριών παλαιάς τεχνολογίας, αλλά και βιομηχανιών με μεγάλο αριθμό επαγωγικών και χωρητικών φορτίων (παθητικά φίλτρα, συστοιχίες πυκνωτών κλπ.) που αλληλοεπηρεάζονται.

Η EMMIS διαθέτει στην αγορά το μοναδικό φίλτρο παγκοσμίως με δυνατότητα εξάλειψης του συντονισμού. Πρόκειται για το ADF P200, που χάρη στην υψηλότατη ταχύτητά του και τον ελάχιστο χρόνο απόκρισης (μόλις 25 μsec!) αποτρέπει τις υπερεντάσεις που προκαλεί ο συντονισμός.

 Συμπεράσματα

Όπως γίνεται αντιληπτό από τα προαναφερόμενα, η ευρεία χρήση σύγχρονου τεχνολογικού εξοπλισμού στη βιομηχανία, στη ναυτιλία, στα νοσοκομεία, σε κτιριακές εγκαταστάσεις αλλά και σε έργα ΑΠΕ, αποτελεί την κύρια αιτία δημιουργίας αρμονικών και συνεπάγεται ποικίλα προβλήματα, λιγότερο ή περισσότερο σύνθετα, ανάλογα με την εκάστοτε εγκατάσταση.

Για να είναι κανείς σε θέση να αντιμετωπίσει αποτελεσματικά το πρόβλημα των αρμονικών, απαιτείται – σε κάθε περίπτωση – μια ολοκληρωμένη μελέτη της εγκατάστασής του, ώστε να εντοπισθεί τεκμηριωμένα η πηγή του προβλήματος και οι συνέπειές του.

Με τον τρόπο αυτό, αποκτάται μια ολοκληρωμένη και ξεκάθαρη εικόνα με όλες τις απαραίτητες πληροφορίες, ώστε στη συνέχεια να προταθεί τεκμηριωμένα ο καταλληλότερος εξοπλισμός.

Παράλληλα, εξασφαλίζεται η ολοκληρωμένη αντιμετώπιση του προβλήματος των αρμονικών με το χαμηλότερο δυνατό κόστος, αποφεύγονται περιττές και κοστοβόρες ενέργειες και η αντιμετώπιση γίνεται στοχευμένα και ολιστικά.

Όπως είπε εύστοχα ο J.B Fisken στα 1916:όλοι συμφωνούμε ότι υπάρχουν αρμονικές.'Οπως οι φτωχοί οι αρμονικές θα είναι πάντα μαζί μας.Αν θα ήταν δυνατό να εκλείψουν θα ήμασταν πολύ ευχαριστημένοι.