Vervorming door harmonischen binnen elektrische distributienetwerken vindt zijn oorsprong in drie kerncategorieën van bronnen: apparatuur voor energieopwekking, transmissie- en distributie-infrastructuur en aangesloten -eindverbruikers.
Harmonischen geproduceerd door genererende eenheden
Tijdens de productie is het praktisch onmogelijk om drie-{0}}fasewikkelingen van een generator te bouwen met volkomen identieke impedantie, en ijzeren kernen kunnen ook niet worden ontworpen om een volledig uniforme magnetische permeabiliteit over de hele structuur te bereiken. Gecombineerd met kleine mechanische en assemblagetoleranties produceren generatoren onder normale bedrijfsomstandigheden uiteraard een kleine hoeveelheid harmonische vervorming-hoewel dit vervormingsniveau doorgaans verwaarloosbaar is voor de meeste scenario's voor netbeheer.
Harmonischen die voortkomen uit T&D-netwerkhardware
Vermogenstransformatoren vertegenwoordigen de primaire bron van harmonischen binnen transmissie- en distributiesystemen. Deze vervorming is het gevolg van magnetische verzadiging in de ijzeren kernen van transformatoren, waardoor een niet-lineaire magnetisatie-responscurve ontstaat. Om de productiekosten en de omvang van de apparatuur in evenwicht te brengen, selecteren ontwerpers van transformatoren een operationele fluxdichtheid die dicht bij de verzadigingsknie van de magnetisatiecurve ligt. Dit werkpunt hervormt de magnetiserende stroom in een golfvorm met een scherpe piek die substantiële harmonische componenten van oneven{4}}orde bevat.
De ernst van deze harmonischen verschuift op basis van twee sleutelfactoren: de interne lay-out van het magnetische circuit en de verzadigingsdiepte van de ijzeren kern. Naarmate de verzadiging toeneemt, beweegt de transformator zich verder weg van de lineaire magnetische werking, waardoor de harmonische stroomsterkten hoger worden. Onder standaard ontwerpparameters kan de 3e harmonische component maar liefst 0,5% van de nominale stroom van de transformator bereiken.
Harmonische vervorming veroorzaakt door klant-zijbelastingen
Een breed scala aan consumenten- en industriële apparatuur introduceert aanzienlijke harmonische vervuiling in het openbare elektriciteitsnet, waarbij verschillende belastingstypen verschillende vervormingsprofielen genereren.
Halfgeleider gelijkrichterapparatuur
Gelijkrichtercircuits zijn alomtegenwoordig in zware industriële toepassingen, waaronder elektrische spoortractiesystemen, aluminiumelektrolysecellen, industriële batterijlaadstations en commerciële schakelstroomvoorzieningen, en ze injecteren het grootste volume aan harmonischen in de mondiale elektriciteitsnetten. Deze apparaten zijn afhankelijk van fase-shift-besturingslogica, die gesegmenteerde, niet-sinusvormige stroomgolfvormen uit het elektriciteitsnet haalt; de resulterende vervormde restgolfvormen bevatten een dichte harmonische inhoud. Voor een-fasige gelijkrichteropstellingen gecombineerd met inductieve belastingen domineren harmonische stromen van oneven- orde, en de derde harmonische kan 30% van de fundamentele frequentiestroom uitmaken. Wanneer de apparatuur is aangesloten op capacitieve belastingen, genereert deze harmonische spanningen van oneven-orde, waarbij de vervormingsniveaus stijgen naast de hogere capaciteitswaarden. Drie-volledig geregelde 6-pulsbruggelijkrichters voeden de 5e en hogere harmonischen van oneven orde terug naar de primaire wikkelingen van de stroomopwaartse transformator en de voedingskabels. Zelfs verbeterde 12-pulsgelijkrichtertopologieën produceren nog steeds meetbare 11e en hogere harmonische stromen. Uit onderzoek in de praktijk blijkt dat grofweg 40% van alle harmonische vervorming van het elektriciteitsnet terug te voeren is op gelijkrichterhardware, waardoor deze apparatuurcategorie de grootste harmonische bron op moderne elektriciteitsnetwerken is geworden.
Aandrijvingen met variabele frequentie
VFD-systemen worden op grote schaal ingezet om de snelheid van ventilatoren, waterpompen, passagiersliften en andere roterende machines te regelen. Hun fasehoekmodulatiecontrole levert zeer complexe harmonische spectra op, met zowel integer-orde als inter-harmonische fractionele componenten. Veel grootschalige industriële faciliteiten- maken gebruik van hoog- VFD-banken, en de steeds snellere acceptatie van variabele snelheidsregeling heeft de problemen met harmonische vervorming in de distributienetten de afgelopen jaren gestaag verergerd.
Boog- en calciumcarbideovens
Elektrische smeltovens worden geconfronteerd met inherente operationele instabiliteit tijdens het verwarmen van grondstoffen: de drie ovenelektroden onderhouden zelden consistent contact met ongelijkmatige, onregelmatige ovenlading. Deze inconsistentie zorgt voor fluctuerende, ongebalanceerde drie-fasebelasting, die harmonische stromen genereert die zich voortplanten via delta-verbonden transformatorwikkelingen naar het hoofdnet. De meest prominente vervormingscomponenten hier zijn harmonischen van de 2e en 7e orde. Uit meetgegevens ter plaatse blijkt dat deze harmonischen normaal gesproken tussen 8% en 20% van de fundamentele golfamplitude liggen, waarbij extreme bedrijfsomstandigheden de vervormingspieken tot 45% opdrijven.
Producten voor gasontladingsverlichting
TL-buizen, hoge-drukkwiklampen, hoge-natriumlampen en metaalhalogenidelampen vallen allemaal onder de gasontladingsverlichtingstechnologie. Laboratoriumtests van hun spanning-stroomkarakteristieken brengen ernstig niet-lineair gedrag aan het licht, en bepaalde lampmodellen vertonen zelfs negatieve V-I-curveprofielen. Installaties van deze verlichtingsbelastingen introduceren aanzienlijke harmonische stromen van vreemde- orde in laag- distributielijnen met lage spanning.
Huishoudelijke apparaten
Gemeenschappelijke huishoudelijke elektronica, waaronder televisies, opnameapparatuur, desktop- en laptopcomputers, dimbare verlichtingsarmaturen en kooktoestellen met instelbare-temperatuur, integreren allemaal spanningsregeling en gelijkrichtercircuits, die opmerkelijke harmonische vervorming van de vreemde- orde genereren. Gemotoriseerde huishoudelijke apparaten zoals wasmachines, koelventilatoren en airconditioningunits vervormen ook de golfvormen van het elektriciteitsnet via voortdurend verschuivende, ongebalanceerde wikkelstromen. Hoewel elk individueel huishoudelijk apparaat slechts weinig stroom verbruikt, zorgt het enorme volume van deze apparaten die zijn aangesloten op het elektriciteitsnet over de hele wereld ervoor dat ze een niet-verwaarloosbare bijdrage leveren aan de algehele harmonische vervuiling.