Թաքնված մարտահրավերը ժամանակակից էներգետիկ համակարգերում

Իդեալական աշխարհում մեր էլեկտրական ցանցերով հոսող էլեկտրաէներգիան կլիներ կատարյալ, մաքուր սինուսային ալիք՝ լարման եւ հոսանքի հարթ, կանխատեսելի տատանում։ Այնուամենայնիվ, ժամանակակից էլեկտրական համակարգերի իրականությունը, որը լցված է էլեկտրոնային սարքերով, հեռու է այս իդեալից։ Ամեն անգամ, երբ միացնում եք անջատիչ ռեժիմով սարքը՝ ձեր նոութբուքի լիցքավորիչից մինչեւ LED լամպ, այն աննկատ, բայց չափելիորեն աղավաղում է այս կատարյալ ալիքաձեւը։ Այս աղավաղումը չափվում է կրիտիկական պարամետրով, որը հայտնի է որպես Total Harmonic Distortion կամ THD։ Թեեւ դա կարող է թվալ էլեկտրական ինժեներների համար նախատեսված խիստ տեխնիկական հասկացություն, THD-ի հիմունքները հասկանալը շատ կարեւոր է ցանկացած մարդու համար, ով զբաղվում է մեծածավալ լուսավորության համակարգերի որոշմամբ, տեղադրմամբ կամ կառավարմամբ։ Հարմոնիկ աղավաղման բարձր մակարդակը կարող է հանգեցնել գերտաքացված տրանսֆորմատորների, անջատիչների, անսարքության սարքավորումների եւ էներգիայի զգալի անարդյունավետության: Բիզնեսների եւ համայնքների համար, որոնք ներդրումներ են կատարում LED լուսավորության մեջ իր էներգախնայողության ներուժի համար, THD-ն անտեսելը կարող է խարխլել հենց այն խնայողությունները, որոնց նրանք հույս ունեն հասնել։ Այս ուղեցույցը կբացատրի, թե ինչ է դա, ինչպես է այն չափվում, ինչու է այն գեներացվում LED վարորդների կողմից, եւ ինչու այն ցածր պահելը անխուսափելի է անվտանգ եւ արդյունավետ էլեկտրական տեղադրման համար:

Ի՞նչ է ընդհանուր հարմոնիկ աղավաղումը (THD): Պարզ սահմանում

Ընդհանուր հարմոնիկ աղավաղումը (THD) չափում է, որը չափում է ազդանշանում առկա աղավաղման քանակը, մասնավորապես՝ էներգետիկ համակարգերի համատեքստում, հոսանքի կամ լարման ալիքի աղավաղումը իր իդեալական, մաքուր սինուսային ալիքի ձեւից։ Սա հասկանալու համար նախ պետք է հասկանալ հարմոնիկ հասկացությունը։ Էներգետիկ համակարգի հիմնական հաճախականությունը նրա հիմնական աշխատանքային հաճախությունն է՝ 50 Հց աշխարհի շատ մասերում (ներառյալ Եվրոպան, Ասիան եւ Ավստրալիան) կամ 60 Հց Հյուսիսային Ամերիկայում։ Հարմոնիկները լարումներ կամ հոսանքներ են հաճախություններում, որոնք այս հիմնարար հաճախականության ամբողջ բազմապատիկներ են։ 50 Հց համակարգի համար 3-րդ հարմոնիկը 150 Հց է, 5-րդը՝ 250 Հց, 7-րդը՝ 350 Հց եւ այլն։ THD-ն այս բոլոր հարմոնիկ բաղադրիչների հզորության (կամ մեծության) գումարն է՝ համեմատած հիմնարար հաճախականության հզորության հետ։ Այն, ըստ էության, չափում է, թե որքան «աղմուկ» կամ անցանկալի հաճախականության էներգիա է ավելացվել մաքուր հիմնարար ազդանշանին։ Այն սովորաբար արտահայտվում է 0-ից 1-ի հարաբերակցությամբ կամ 0%-ից մինչեւ 100% տոկոսով։ 0% (կամ 0) THD ներկայացնում է կատարյալ, չաղավաղված սինուսային ալիք։ 100% (կամ 1) THD-ը կնշանակի, որ հարմոնիկների ընդհանուր հզորությունը հավասար է հիմնարար հզորությանը, ինչը ցույց է տալիս խիստ աղավաղված ալիքաձեւը։ Գործնական առումով, որքան ցածր է THD արժեքը, այնքան ավելի մաքուր եւ արդյունավետ է հզորությունը:

Ինչպե՞ս է հաշվարկվում եւ մեկնաբանվում THD-ը:

THD-ի հաշվարկը ներառում է բարդ ազդանշանների վերլուծություն, բայց սկզբունքը պարզ է։ Էլեկտրաէներգիայի որակի անալիզատորը չափում է էլեկտրական ազդանշանը եւ կատարում է մաթեմատիկական գործողություն, որը կոչվում է արագ Ֆուրիեի տրանսֆորմացիա (FFT)։ Սա բաժանում է բարդ, աղավաղված ալիքաձեւը իր առանձին հաճախականության բաղադրիչների։ Այն բնորոշում է հիմնարար հաճախականության մեծությունը (օրինակ՝ 50 Հց) եւ բոլոր հարմոնիկ հաճախականությունների մեծությունները (օրինակ՝ 100 Հց, 150 Հց, 200 Հց եւ այլն)։ Այնուհետեւ THD-ն հաշվարկվում է՝ վերցնելով բոլոր հարմոնիկ մեծությունների քառակուսուների գումարի քառակուսի արմատը՝ բաժանելով հիմնականի մեծության վրա։ Արդյունքը բազմապատկվում է 100-ով՝ տոկոս ստանալու համար։ Այս արժեքը մեկնաբանելը էներգիայի որակի գնահատման բանալին է։ THD արժեքը մոտ 0% նշանակում է, որ ելքային հոսանքը կամ լարումը շատ մաքուր սինուսային ալիք է, հաճախականության բաղադրիչները գրեթե նույնական են մուտքին: Սա իդեալական է։ 100%-ին մոտենող արժեքը նշանակում է, որ կա զգալի քանակությամբ ներդաշնակ աղավաղում; ազդանշանը աղտոտված է այլ հաճախականությունների բարձր մակարդակով։ Օրինակ՝ 15% THD նշանակում է, որ բոլոր հարմոնիկ հաճախականություններում պարունակվող ընդհանուր էներգիան կազմում է հիմնարարում պարունակվող էներգիայի 15%-ը։ Աղավաղման այս մակարդակը հաճախ սահմանվում է որպես առավելագույն թույլատրելի սահման առանձին սարքավորումների համար, քանի որ ավելի բարձր մակարդակները կարող են խնդիրներ առաջացնել ավելի լայն էլեկտրական ցանցում։

Ինչո՞ւ են LED վարորդները առաջացնում ներդաշնակ աղավաղում:

Ժամանակակից լուսավորության համակարգերում ներդաշնակ աղավաղման հիմնական աղբյուրը LED վարորդն է։ LED վարորդը էլեկտրոնային էլեկտրամատակարարում է, որը փոխակերպում է մուտքային AC (փոփոխական հոսանք) հոսանքը ցածր լարման DC (ուղիղ հոսանքի) հզորության, որը պահանջվում է LED մոդուլների կողմից: Այս վարորդների ճնշող մեծամասնությունը ոչ գծային բեռներ են։ Ի տարբերություն պարզ շիկացած լամպի, որը զուտ դիմադրողական գծային բեռ է, որը քաշում է հարթ, սինուսոիդ հոսանք, LED վարորդը AC ցիկլի ընթացքում անընդհատ հոսանք չի քաշում։ Ներսում, տիպիկ LED վարորդի առաջին փուլը ուղղիչն է, գրեթե միշտ դիոդային կամուրջը։ Այս շղթան AC ալիքաձեւը վերածում է իմպուլսային DC-ի։ Այս կամրջի դիոդները հոսանք են անցկացնում միայն այն ժամանակ, երբ լարումը գերազանցում է որոշակի շեմը, ինչը տեղի է ունենում միայն AC սինուսային ալիքի գագաթների մոտ։ Սա հանգեցնում է նրան, որ վարորդը հոսանք է քաշում կարճ, բարձր ամպլիտուդային իմպուլսներով, այլ ոչ թե հարթ, շարունակական ալիքով։ Այս իմպուլսային հոսանքը հարուստ է հարմոնիկ հաճախականություններով։ Դիոդների անջատման գործողությունը, ինչպես նաեւ վարորդի ներքին հոսանքի փոխակերպման սխեմայի բարձր հաճախականության անջատումը, արդյունավետորեն կտրում է ընթացիկ ալիքաձեւը՝ ներարկելով այդ ներդաշնակ հոսանքները ցանցի էլեկտրամատակարարման մեջ: Որքան ոչ գծային է բեռը, եւ որքան վատ է նախագծված նրա էլեկտրամատակարարումը, այնքան ավելի աղավաղված է դառնում հոսանքի ալիքը, եւ այնքան բարձր է նրա THD-ն։

Ի՞նչ է տեղի ունենում LED վարորդի ներսում՝ հարմոնիկներ ստեղծելու համար:

Սա պատկերացնելու համար պատկերացրեք AC ցանցի լարումը որպես մեղմ գլանաձեւ բլուր։ Ջեռուցիչի նման գծային բեռը սահուն կքաշեր հոսանքը բլրի վեր ու ներքեւ։ Ոչ գծային LED վարորդը, սակայն, նման է լեռնագնացի, որը բլրի գագաթին շատ արագ, ծանր քայլեր է կատարում։ Դիոդային կամուրջի ուղղիչը անցկացնում է միայն այն ժամանակ, երբ AC լարումը ավելի բարձր է, քան վարորդի մուտքային կոնդենսատորների վրա պահվող լարումը: Սա տեղի է ունենում շատ կարճ ժամանակահատվածում սինուսային ալիքի դրական եւ բացասական գագաթների շուրջ։ Արդյունքում առաջանում է հոսանքի ալիքաձեւ, որը բաղկացած է նեղ, սպիտակ իմպուլսներից՝ հարթ, լայն կորի փոխարեն։ Այս սուր, անընդհատ իմպուլսները հաճախականության տիրույթում կազմված են հսկայական թվով հարմոնիկներից։ Հիմնարար 50 Հց բաղադրիչը կարող է ուժեղ լինել, բայց զգալի էներգիա կլինի նաեւ 150 Հց (3-րդ հարմոնիկ), 250 Հց (5-րդ հարմոնիկ), 350 Հց (7-րդ հարմոնիկ) եւ այլն։ Այս ներդաշնակ հոսանքները վարորդից հետ են հոսում շենքի լարերի մեջ եւ դուրս են գալիս դեպի կոմունալ տրանսֆորմատոր։ Նրանք չեն նպաստում օգտակար աշխատանք կատարելուն; փոխարենը, դրանք ներկայացնում են վատնված էներգիան, որը թափվում է էլեկտրական համակարգում՝ ստեղծելով ջերմություն եւ միջամտություն։

Ինչո՞ւ է լուսավորության կայաններում այդքան կարեւոր լիակատար ներդաշնակ աղավաղումը։

THD-ի կարեւորությունը բխում է կուտակված եւ վնասակար ազդեցություններից, որոնք ներդաշնակ հոսանքները ունեն ամբողջ էլեկտրական կայանի վրա։ Բարձր THD ունեցող մեկ LED վարորդը կարող է աննշան ազդեցություն ունենալ։ Այնուամենայնիվ, ժամանակակից շենքում կարող են լինել հարյուրավոր կամ նույնիսկ հազարավոր այդ վարորդներ՝ LED լույսերում, համակարգիչներում, մոնիտորներում եւ անհամար այլ սարքերում։ Այս բոլոր ոչ գծային բեռների հարմոնիկ հոսանքները ավելանում են չեզոք դիրիժորներում եւ բաշխման տրանսֆորմատորներում։ Այս կուտակումը հանգեցնում է բացասական հետեւանքների կասկադի։ Ամենաանմիջականը գերտաքացումն է։ Հարմոնիկ հոսանքները, հատկապես 3-րդ հարմոնիկը եւ նրա բազմապատիկները (կոչվում են «եռյակային» հարմոնիկներ), չեն չեղարկվում չեզոք լարում, ինչպես ֆունդամենտալ հոսանքները։ Փոխարենը, դրանք ավելանում են, ինչի հետեւանքով չեզոք դիրիժորը զգալի հոսանք է կրում նույնիսկ այն ժամանակ, երբ փուլերը կատարյալ հավասարակշռված են։ Սա կարող է հանգեցնել գերտաքացված չեզոքների, հրդեհի լուրջ վտանգի: Տրանսֆորմատորները նախատեսված են նաեւ հիմնարար հաճախականությամբ հոսանքը կառավարելու համար; Հարմոնիկ հոսանքները առաջացնում են հոսանքի կորուստների ավելացում եւ հիստերեզի կորուստներ իրենց մագնիսական միջուկներում, ինչը հանգեցնում է գերտաքացման, արդյունավետության նվազման եւ կյանքի կրճատման։ Անջատիչները եւ ապահովիչները նույնպես կարող են ազդել, քանի որ դրանք կարող են ճիշտ չանջատվել ոչ սինուսոիդ հոսանքներ կրելիս՝ վտանգելով անվտանգությունը։

Ինչպե՞ս է բարձր THD-ն ազդում էլեկտրաէներգիայի համակարգի արդյունավետության եւ այլ սարքերի վրա:

Գերտաքացման ֆիզիկական վտանգներից բացի, բարձր ՏՀԴ-ն զգալիորեն նվազեցնում է էլեկտրաէներգիայի համակարգի ընդհանուր արդյունավետությունը։ Հարմոնիկ հոսանքները ներկայացնում են վատնված էներգիան. դրանք ոչ մի օգտակար աշխատանք չեն կատարում, բայց դեռեւս արտադրվում են, փոխանցվում եւ ցրվում են որպես ջերմություն տրանսֆորմատորներում, լարերում եւ այլ սարքավորումներում։ Սա մեծացնում է կոմունալ ծառայությունից ստացվող ընդհանուր հոսանքը, ինչը հանգեցնում է էլեկտրաէներգիայի ավելի բարձր ծախսերի, հատկապես առեւտրային եւ արդյունաբերական հաճախորդների համար, ովքեր կարող են տույժեր վճարել ցածր էներգիայի գործոնի համար, որը սերտորեն կապված է ներդաշնակ աղավաղման հետ։ Խեղաթյուրումը խանգարում է նաեւ նույն էլեկտրական ցանցին միացված այլ զգայուն էլեկտրոնային սարքերի պատշաճ աշխատանքին: Լարման աղավաղումը, որն առաջանում է համակարգի դիմադրության միջով հոսող հարմոնիկ հոսանքների հետեւանքով, կարող է հանգեցնել լարման սինուսային ալիքի զրոյական հատման կետերի տեղափոխմանը կամ աղմկահարույց դառնալուն։ Շատ էլեկտրոնային սարքեր օգտագործում են զրոյական անցման կետերը ժամանակի եւ կառավարման համար։ Աղավաղված լարումը կարող է առաջացնել դրանց անսարքություն, ինչը հանգեցնում է համակարգիչների, բժշկական սարքավորումների եւ արդյունաբերական կառավարման համակարգերի սխալ վարքագծի։ Ըստ էության, բարձր THD-ն ամբողջ էլեկտրական միջավայրը դարձնում է «աղմկոտ» եւ անհուսալի՝ ազդելով ամեն ինչի վրա՝ սկսած լույսերից մինչեւ մոտակա պատին միացված սարքավորումները։

Ո՞րն է լավ THD մակարդակը LED վարորդների եւ լուսատուների համար:

Հաշվի առնելով բարձր THD-ի պատճառով առաջացած խնդիրները՝ արդյունաբերության ստանդարտները եւ լավագույն փորձը ի հայտ են եկել ընդունելի սահմաններ սահմանելու համար։ Ժամանակակից լուսավորման սարքավորումների համար այժմ ընդունված է, որ նոր առեւտրային եւ արդյունաբերական կայաններում էլեկտրական բնութագրերը պահանջում են, որ առանձին LED լուսատուի կամ վարորդի առավելագույն ընդհանուր ներդաշնակ աղավաղումը լինի 20%-ից պակաս, եւ հաճախ սահմանվում է ավելի խիստ թիրախ՝ 15% կամ նույնիսկ 10%-ից պակաս։ 15%-ից պակաս THD-ն սովորաբար համարվում է լավ, ինչը ցույց է տալիս, որ վարորդի դիզայնը ներառում է արդյունավետ հարմոնիկ ֆիլտրում։ 10%-ից ցածր THD-ն գերազանց է։ Սա նշանակում է, որ վարորդը նկարում է շատ ավելի մաքուր, ավելի սինուսային հոսանք՝ նվազագույնի հասցնելով դրա ազդեցությունը էլեկտրական ցանցի վրա։ Մեծածավալ LED արդիականացում կամ նոր շինարարական նախագիծ պլանավորելիս շատ կարեւոր է նշել ցածր THD ունեցող լուսատուները: Թեեւ դրանք կարող են ունենալ մի փոքր ավելի բարձր նախնական ծախսեր, քան ծայրահեղ էժան, բարձր THD այլընտրանքները, երկարաժամկետ օգուտները զգալի են։ Նրանք ապահովում են, որ ընդհանուր էլեկտրական համակարգը աշխատի արդյունավետ, անվտանգ եւ հուսալիորեն՝ կանխելով թանկարժեք անհանգստությունը, տրանսֆորմատորի գերտաքացումը եւ էլեկտրաէներգիայի որակի հնարավոր խնդիրները, որոնք կարող են ազդել ամբողջ հաստատության վրա: Ցածր THD LED վարորդների ներդրումը ներդրում է ձեր ողջ էլեկտրական ենթակառուցվածքի առողջության եւ երկարակեցության մեջ:

Տոտալ ներդաշնակ աղավաղման հիմնական ասպեկտները (THD)

Հետեւյալ աղյուսակում ամփոփված են LED լուսավորության համատեքստում THD-ի հետ կապված հիմնական հասկացությունները։

Եզրափակելով՝ Total Harmonic Distortion-ը լուսավորության որակի կարեւոր, բայց հաճախ անտեսված ասպեկտ է։ Դա «էլեկտրական աղմուկի» չափանիշ է, որը ներարկվում է էլեկտրական համակարգում ոչ գծային սարքերի միջոցով, ինչպիսիք են LED վարորդները։ Թեեւ THD-ի որոշակի քանակն անխուսափելի է ժամանակակից էլեկտրոնիկայի հետ, բարձր մակարդակները վնասում են արդյունավետությանը, անվտանգությանը եւ սարքավորումների երկարակեցությանը։ Ցանկացած մարդու համար, ով նշում կամ տեղադրում է LED լուսավորություն, առաջնահերթություն տալ լուսատուներին եւ վարորդներին ցածր THD-ով, սովորաբար 15%-ից պակաս, կարեւոր է հուսալի, արդյունավետ եւ անվտանգ էլեկտրական տեղադրում ապահովելու համար, որը կատարում է LED տեխնոլոգիայի ամբողջական խոստումը:

Հաճախ տրվող հարցեր տոտալ ներդաշնակ աղավաղման վերաբերյալ

Ո՞րն է անվտանգ կամ ընդունելի THD մակարդակը LED լույսի համար:

Առեւտրային եւ արդյունաբերական լուսավորության առանձնահատկությունների մեծ մասի համար ընդունելի է համարվում 20%-ից պակաս ընդհանուր հարմոնիկ աղավաղումը (THD), մինչդեռ 15%-ից պակաս THD-ն նախընտրելի է եւ ցույց է տալիս բարձրորակ վարորդ։ Որոշ պրեմիում ապրանքներ նույնիսկ հասնում են THD 10%-ից ցածր։ Որքան ցածր է THD-ն, այնքան ավելի քիչ սթրես է ձեր էլեկտրական համակարգի վրա եւ այնքան ավելի լավ է ընդհանուր էներգիայի որակը:

Կարո՞ղ է բարձր THD վնասել իմ շենքի այլ սարքավորումները:

Այո, անուղղակիորեն։ Բարձր THD, հատկապես մեծ թվով ոչ գծային բեռներից, կարող է առաջացնել լարման զգալի աղավաղում: Այս խեղաթյուրված լարման ալիքաձեւը կարող է խանգարել այլ զգայուն էլեկտրոնային սարքավորումների ժամանակին եւ շահագործմանը, ինչպիսիք են համակարգիչները, բժշկական սարքերը եւ ծրագրավորվող տրամաբանական կարգավորիչները (PLC)։ Հիմնական վնասը, սակայն, տրանսֆորմատորների, չեզոք լարերի եւ շարժիչների գերտաքացումն է։

Ինչպե՞ս կարող եմ նվազեցնել THD-ն իմ լուսավորման տեղադրման մեջ:

THD-ն նվազեցնելու ամենաարդյունավետ միջոցը աղբյուրում է. ընտրեք LED վարորդներ եւ լուսատուներ, որոնք հատուկ նախագծված են ցածր ներդաշնակ աղավաղման համար: Փնտրեք ապրանքներ, որոնց THD բնութագիրը 15%-ից պակաս է։ Գոյություն ունեցող կայաններում հնարավոր է տեղադրել ներդաշնակ ֆիլտրեր, բայց դա հաճախ բարդ է եւ թանկ՝ համեմատած սկզբից ցածր THD արտադրանքի ընտրության հետ։