Régi jó ismerős
Ha harmonikusokkal „szennyezett” az elosztó hálózat, akkor az energiaszolgáltatás minőségi paraméterei is jelentős mértékben romlanak. Megnő az áram valódi effektív értéke (rms), a nulla vezetőben, a generátorokban, motorokban és transzformátorokban túlterhelés következhet be. A villamos készülékek nem kívánt rázkódásnak és korai öregedésnek lehetnek kitéve, valamint növekszik a transzformátorok zúgása, nem kívánt hanghatása is. Nem is beszélve a fázisjavító kondenzátorok túlterhelődéséről, amely szintén korai öregedésükhöz és idő előtti cseréhez vezetnek, jelentős kiadást generálva a felhasználóknak. A 3-fázisú, szimmetrikus rendszerben, ha nincsenek áramharmonikusok, a 0 vezetőben nem folyik áram. Harmonikusok jelenléténél azonban a 0 vezetőben is jelentős áram folyik, ami többszöröse lehet a fázisáramnak. A védelmek indokolatlanul megszólalhatnak, ez csökkenti az energiaellátás biztonságát, a védelem megszakítóinak élettartamát. A meddőáram kompenzáló rendszerek működésében zavart okoz, rezonáns feszültségeket kelt a hálózat induktív jellege és a meddőkompenzáló kapacitív rendszer alkotta rezonáns körben.
Évtizedekkel ezelőtt a felharmonikusok nem jelentettek akkora problémát, mert hatásuk az elosztó hálózatra általában elenyészően csekély volt, azonban a teljesítmény félvezetők ma már szerves részei a mindennapoknak, így számolnunk kell ezen negatív hatásokkal. Azonban a villamosenergia-rendszerben a harmonikus áramok régóta jelen vannak. A gerjesztett vasmagos berendezések harmonikusain kívül kezdetben a különböző célú ipari alkalmazású higanygőz áramirányítók harmonikus áramai voltak a dominánsak. A 3-fázisú elosztóhálózatokban leggyakrabban páratlan felharmonikusok fordulnak elő, amelyeket mindenképpen meg kell figyelni az a 3, 5, 7, 11, és 13 rendszámú felharmónikus.
Felharmonikus „gyár”
A felharmonikusokat a nemlineáris terhelések keltik, ilyenek a hegesztőgépek, ívkemencék, UPS-ek, számítógépek, háztartási gépek és eszközök, fénycsövek, transzformátorok stb. Az ideális energiarendszer feszültség- és áramjelalakjai tiszta alapharmonikus frekvenciájú szinuszhullámok. A gyakorlatban nemszinuszos áramok is keletkeznek, amikor a terhelés árama nem lineárisan függ a tápfeszültségtől. Ellenállást, induktivitást és kapacitást tartalmazó lineáris áramkör árama adott frekvencián arányosan változik a ráadott feszültséggel, ezért, ha a feszültség szinuszos, az áram is az lesz. Ha a terhelés reaktív elemet is tartalmaz, akkor a feszültség- és az áram jelek között fáziseltolás van. Ez a fázistényező csökkenthető, de az áramkör akkor is lineáris marad. A valóságban a terhelés karakterisztikája (és ennek következtében a terhelés árama is tartalmazhat aszimmetriát és hiszterézist, valamint a töréspontok és meredekségek függhetnek a feszültségtől és a terhelő áramtól. Bármely periodikus jelalak felbontható az alapharmonikusának megfelelő szinusz hullámra és végtelen sok ugyancsak szinuszos felharmonikus összetevőre. Ha a jel oly módon szimmetrikus, hogy a pozitív és negatív félhullámok megegyeznek, a jel nem tartalmaz páros rendszámú harmonikusokat.
A páros rendszámú harmonikusok jelenleg ritkán jelentkeznek, régebben azonban gyakori volt, mivel az egyutas egyenirányítást széles körűen alkalmazták. Az alapharmonikus feszültségforrás nem tartalmaz felharmonikust, ezért harmonikus frekvenciákon rövidzár. A táphálózat impedanciája frekvenciafüggő. A nemlineáris terhelés által keltett harmonikus áramok – pontosabban szólva a terhelés által alapharmonikusból felharmonikusra átalakított áramok – a hálózati impedanciákon keresztül kényszerülnek záródni. Ennek következtében harmonikus feszültségesések keletkeznek a hálózat elemein és a harmonikus feszültségek megjelennek az egész létesítmény minden elemén. A harmonikusforrások néha úgy látszanak, mintha feszültséggenerátorok lennének, ha ez igaz lenne akkor a táphálózat impedanciájának nem lenne hatása a rajta kialakult feszültségtorzulásra. A valóságban a létrejövő feszültségtorzulás (korlátozott mértékig) arányos a táphálózat impedanciájával, ami bizonyítja, hogy áramgenerátor jellegű a harmonikus forrás. A táphálózat impedanciája általában nagyon kicsi, ezért kicsi lesz a harmonikus áram okozta feszültségtorzulás is, sokszor olyan kicsi, hogy elvész a háttérzajban. Ez félrevezető lehet, mert azt a látszatot kelti, hogy nincs harmonikus probléma, noha valójában nagyok a harmonikus áramok. A probléma ahhoz hasonlítható, amikor földben folyó köráramot feszültség méréssel szeretnénk megtalálni. Amikor harmonikusra gyanakszunk, vagy bizonyítani próbáljuk, hogy nincs, áramot kell mérni.
Hadd legyen szinusz a szinusz!
Régebben a harmonikusokat a hálózatra kapcsolt soros rezgőkörök alkalmazásával próbálták kiküszöbölni. Működési elve szerint a rezonancia frekvencián kisebb impedanciával rendelkező soros körön keresztül záródnak a harmonikus áramok. A módszernek a legnagyobb hátránya az, hogy számos nagy kapacitású kondenzátor kell a felharmonikus frekvenciák számára szükséges kis impedanciák eléréséhez. Ennek hatására a hálózat eredőben kapacitívvá válik és előfordulhat, hogy „indirekt” meddőkompenzációt kell alkalmazni a hálózat kapacitív jellegének megszüntetéséhez.
Ha a belső hálózaton csoportosítják a fogyasztókat lineáris és nem lineáris fogyasztókra, harmonikusok tekintetében jelentős javulás érhető el. Így a nemlineáris fogyasztók által a belső hálózat impedanciáján okozott feszültségtorzulás nem kerül a lineáris fogyasztók tápfeszültségére, csak a csatlakozási ponttól a táppontig tartó közös szakasz feszültségtorzulását észlelik, ami általában 20-30%-al kisebb, mintha közös hálózaton jönne létre a feszültségtorzulás. Ezen felül egyedi transzformátorok alkalmazásával is kiszűrhetők a harmonikusok. Az egyik legegyszerűbb megoldás a harmadik harmonikus kiszűrésére, amelyet minden KÖF/KIF transzformátor alapból ellát úgy, hogy a földelt csillag/delta kapcsolású transzformátorok esetében a delta oldalra nem kerül át a 3. harmonikus áram. Ez nem csak a KÖF/KIF átalakítás esetében alkalmazható, hanem leválasztó transzformátorként is alkalmazhatjuk a kapcsolást, amely biztosítja a harmadik harmonikus kiszűrését. Itt azért megemlíteném, hogy a nulla vezető keresztmetszetének megválasztásakor feltétlenül figyelembe kell venni a hálózat harmonikus tartalmát.
Az aktív harmonikus szűrőkkel a fogyasztói áram jelét alakítják minél tökéletesebbre úgy, hogy a fogyasztó által felvett harmonikusokkal szennyezett áramba ellenkező előjelű harmonikus áramot táplálnak be „valós időben”, ezáltal a hálózat felé tiszta (50 Hz) szinuszos jelalak jelenik meg, amely nem torzítja el a hálózati feszültséget. A manapság előforduló aktív harmonikus szűrök mindezt 300-500 µs-os válaszidővel képesek követni, amit a 20 ms-es periódusidőhöz érdemes viszonyítani. A kompenzálást az 50. harmonikusig végzik, a gyakorlatban azonban a 25. harmonikus felett már nem igazán fordulnak elő kompenzálandó áramok. A jelalakok előállításához IGBT-ket használnak 10-15 kHz-es kapcsolási sebességgel.
Szigorúbb szabványok kellenek
A napjainkban készülő villamos berendezések többségében van kapcsolóüzemű tápegység, vagy ezek a berendezések valamilyen módon szabályozható teljesítményűek, ezért nemlineáris terhelések. Lineáris terhelés típus ma már kevés van, leggyakoribbak a fényerő szabályozó nélküli izzólámpák, szabályozatlan melegvíz tárolók és villamos fűtések. A harmonikus problémák többségét az iparban a számítógépek okozzák. Szigorú - az előírások betartását kötelező mérésekkel ellenőrző - szabványok bevezetése nélkül bizonyosra vehető, hogy a hálózatok harmonikus szennyezettsége az egyre nagyobb számban telepített nemlineáris terhelések miatt tovább nő. Ez a kérdés lényegében olyan üzleti kockázati befektetés, amelyet körültekintő tervezéssel, megfelelő minőségű villamos berendezésekkel és helyes szereléssel lehet és kell kezelni.
