Przed nastaniem doby urządzeń energoelektronicznych, obciążenia w sieciach elektroenergetycznych miały najczęściej charakter liniowy. Nowoczesna elektronika, automatyka, robotyka i obciążenia indukcyjne są nieliniowe i generują harmoniczne w systemach elektroenergetycznych.
IEEE (The Institute of Electrical and Electronic Engineers) definiuje harmoniczne jako przebiegi napięcia lub prądu w całkowitych wielokrotnościach podstawowej częstotliwości. Przebiegi harmoniczne łączą się z pierwszą harmoniczną i tworzą niesinusoidalny lub zniekształcony przebieg. Wpływ takiego przebiegu można określić na na pięć sposobów.
1) Harmoniczne zmniejszają sprawność silnika. Zawartość harmonicznych utrudnia namagnesowanie miedzi i żelaza w stojanie silnika i wirniku. Skutkuje to wyższymi stratami prądów wirowych. Po przekroczeniu 300 Hz częstotliwości harmonicznych efekt naskórkowości zdecydowanie wzmacnia te straty.
2) Wszystkie te dodatkowe straty objawiają się dodatkowym ciepłem. Straty cielne, są chyba najbardziej szkodliwym oddziaływaniem na silnik elektryczny. Wzrost temperatury silnika ma znaczący wpływ na pogarszanie stanu izolacji uzwojeń. Ponadto powoduje utratę właściwości smarowych smaru łożyskowego, co ostatecznie przekłada się na skrócenie okresu eksploatacji silnika. W zależności od zawartości wyższych harmonicznych, dodatkowe straty cieplne mogą powodować częstsze awaryjne zatrzymanie silników spowodowane zadziałanie zabezpieczeń termicznych silnika.
3) Pojawienie się harmoniczne może powodować występowanie prądów łożyskowych. Prądy łożyskowe powodują powstawanie łuków między bieżnią łożyska a kulkami, co skutkuje znacznie bardziej chropowatą powierzchnię. Zwiększa to tarcie i może prowadzić do zatarcia łożyska. Zjawisko to przyspiesza również degradację smaru. W skrócie — prądy łożyskowe powodują szybszą awarię łożysk.
4) Harmoniczne o dużych szybkościach zmian napięcia (dU/dt) powodują pojawienie się wyładowań niezupełnych w uzwojeniach i przyspieszają degradację izolacji uzwojeń.
5) Wysoka zawartość harmonicznych zmniejsza współczynnik mocy, co wpływa na podniesione koszty energii elektrycznej oraz zmniejsza sprawność silnika.
Harmoniczne kolejności zgodnej i przeciwnej
Harmoniczne parzyste zmieniają amplitudę i znoszą się nawzajem. Analizując wpływ harmonicznych, należy brać pod uwagę tylko harmoniczne nieparzyste. Ale, tutaj też nie wszystkie harmoniczne są takie same. Harmoniczne o kolejności przeciwnej powodują znacznie więcej uszkodzeń silników niż harmoniczne o kolejności zgodnej.
Skąd wynika różnica?
Harmoniczne kolejności zgodnej (7, 13, 19, itd.) wpływają na obrót wirnika w kierunku częstotliwości podstawowej. Zwiększają tym samym wyjściowy moment obrotowy.
Natomiast harmoniczne przeciwne (5, 11, 17, itd.) powodują hamowanie – próbują obracać wirnik w kierunku przeciwnym do częstotliwości podstawowej. W rezultacie powodują one pulsacje momentu obrotowego. Skutkiem tego może być skręcanie się wału, a nawet jego pęknięcie, a także problemy z wibracjami.
Więcej na temat harmonicznych w myśl normy IEEE 519 można znaleźć tutaj