Is je een vreemd fenomeen opgevallen: we kunnen harmonischen van oneven-orde detecteren, zoals de 3e, 5e en 7e harmonischen in het elektriciteitsnet, maar we zien vrijwel nooit harmonischen van even- orde, zoals de 2e, 4e en 6e harmonischen? Waarom is dit? Zijn harmonischen van gelijke- orde inherent onmogelijk om te detecteren?
Wat zijn harmonischen op het elektriciteitsnet?
Om te begrijpen waarom zelfs-ordeharmonischen zeldzaam zijn, moeten we eerst begrijpen wat 'harmonischen' eigenlijk zijn. De wisselstroom die we gebruiken is idealiter een standaard sinusgolf met een vaste frequentie van 50 Hz, die de 'fundamentele golf' wordt genoemd, net zoals de 'hoofdmelodie' in muziek.
In werkelijkheid volgen veel elektrische apparaten niet 'gehoorzaam bevelen op'-zoals LED-verlichting, opladers voor mobiele telefoons, laptopvoedingen en airconditioners. Het zijn 'niet-lineaire apparaten' en werken niet in overeenstemming met het ritme van de fundamentele golf. In plaats daarvan "interfereren" ze met de fundamentele golf, waardoor de vloeiende sinusgolf wordt "verbogen" tot vreemde golfvormen.
Wanneer deze vervormde golfvormen worden opgesplitst met behulp van de wiskundige methode van "Fourier-decompositie", blijkt dat ze feitelijk zijn samengesteld uit een grondfrequentie (50 Hz) en een reeks "harmonischen" waarvan de frequenties gehele veelvouden zijn van de grondfrequentie. De derde harmonische is bijvoorbeeld 150 Hz (50×3), de vijfde harmonische is 250 Hz (50×5), en zelfs-harmonischen zijn golfvormen met frequenties die zelfs veelvouden zijn van de fundamentele frequentie, zoals 100 Hz (2e) en 200 Hz (4e).
Volledige-bruggelijkrichtertechnologie "elimineert" zelfs- harmonischen.
Waarom zien we bijna nooit harmonischen met gelijke- orde? De sleutel ligt in het feit dat de meeste niet-lineaire apparaten die tegenwoordig op de markt zijn een kerntechnologie gebruiken die 'volledige-brugrectificatie' wordt genoemd.-Dit is de 'verborgen werking' van de elektrische apparaten om ons heen, en een belangrijke reden waarom zelfs-ordeharmonischen zeldzaam zijn.
Wat is volledige-brugrectificatie? We kunnen het begrijpen met een simpele analogie: de wisselstroom in het elektriciteitsnet is als een golf die stijgt en daalt, waarbij de positieve halve- cyclus omhoog gaat en de negatieve halve- cyclus omlaag, en de richting verandert voortdurend; terwijl volledige-brugrectificatie werkt als een 'golfvormomzetter', die de richting van de stroom kan 'corrigeren', ongeacht of de stroom zich in de positieve of negatieve halve-cyclus bevindt, en deze kan omzetten in gelijkstroom (of pulserende gelijkstroom) in dezelfde richting, net zoals het afvlakken van golvende golven tot een unidirectionele waterstroom.
De LED-lampen, opladers voor mobiele telefoons, computervoedingen en zelfs de airconditioners en wasmachines in onze huizen maken bijna allemaal gebruik van volledige-brugrectificatietechnologie, dus de harmonischen die ze genereren zijn allemaal in een vreemde- volgorde, en zelfs- harmonischen zijn natuurlijk moeilijk te zien.
Harmonischen van gelijke- orde komen alleen voor als de golfvorm asymmetrisch is
Natuurlijk bestaan zelfs-ordeharmonischen niet helemaal niet, maar ze zijn uiterst zeldzaam in moderne elektriciteitsnetwerken. Even-harmonischen verschijnen alleen als de golfvorm in het elektriciteitsnet 'asymmetrisch' is. Er zijn twee veelvoorkomende scenario's:
- Het eerste type betreft apparatuur die gebruik maakt van "half{0}}halfgolf-rectificatie"-technologie. In tegenstelling tot volledige-brugrectificatie, gebruikt halve-golfrectificatie alleen de positieve (of negatieve) halve-cyclus van de wisselstroom, waarbij de andere helft van de golfvorm wordt genegeerd. Dit resulteert in een asymmetrische golfvorm, die leidt tot harmonischen van gelijke -orde na Fourier-ontbinding. Halve golfgelijkrichting is echter uiterst inefficiënt, waardoor een aanzienlijke hoeveelheid energie wordt verspild. Het is volledig uitgefaseerd door volledige-brugrectificatie en wordt alleen gebruikt in zeer oude, bijna verouderde apparatuur (zoals opladers van tientallen jaren geleden), waardoor het moeilijk te detecteren is in het elektriciteitsnet.
Het tweede type is apparatuurstoring. Een beschadigde gelijkrichterdiode in een apparaat kan bijvoorbeeld de normale conversie tussen de positieve en negatieve halve- cycli verhinderen, wat resulteert in een asymmetrische golfvorm en harmonischen van gelijke- orde genereert. Dit is echter een fouttoestand; Zodra het zich voordoet, werkt het apparaat meestal niet goed meer of activeert het een beveiligingsmechanisme, en heeft het op de lange- termijn geen impact op het elektriciteitsnet, waardoor het moeilijk te detecteren is.
Harmonischen kunnen ernstige interferentie en schade aan energiesystemen veroorzaken, en in ernstige gevallen zelfs tot verlamming van het energiesysteem leiden.
Waarom zijn even-harmonischen van de orde 'zeldzaam'?
In eenvoudige bewoordingen zijn harmonischen met een even- orde bijna onzichtbaar in het elektriciteitsnet, voornamelijk als gevolg van de wijdverbreide toepassing van "volledige-brugrectificatietechnologie": deze houdt de golfvorm gegenereerd door elektrische apparaten symmetrisch, en symmetrische golfvormen kunnen niet worden ontleed in harmonischen met een even- orde, wat betekent dat normale apparatuur geen harmonischen met een even- orde genereert; bovendien hebben transformatoren in het energiesysteem zelf een zeker vermogen om harmonischen van gelijke- orde te onderdrukken.
Zijn er elektriciteitsmeters die harmonischen kunnen elimineren?
Strikt genomen kan geen enkele elektriciteitsmeter harmonischen "elimineren". De functie van een elektriciteitsmeter is om te 'meteren', niet om te 'beheren'. Hoewel elektriciteitsmeters de harmonischen niet elimineren, zijn er inderdaad apparaten in het energiesysteem die specifiek zijn ontworpen om harmonischen te "elimineren"; dit worden filters genoemd.
Recent onderzoek wijst uit dat het installeren van geschikte filters aan de voorkant van elektriciteitsmeters de impact van harmonischen op de meetnauwkeurigheid effectief kan verminderen.