האם שמת לב לתופעה מוזרה: אנו יכולים לזהות הרמוניות מסדר- מוזרות כמו הרמוניות 3, 5 ו-7 ברשת החשמל, אבל כמעט אף פעם איננו רואים הרמוניות מסדר זוגי - כמו הרמוניות 2, 4 ו-6? למה זה? האם אפילו -הרמוניות מסדר בלתי אפשריות מטבען לזיהוי?
מהן הרמוניות של רשת החשמל?
כדי להבין מדוע אפילו -הרמוניות מסדר נדירות, עלינו להבין תחילה מה הן בעצם "הרמוניות". זרם החילופין בו אנו משתמשים הוא באופן אידיאלי גל סינוס סטנדרטי עם תדר קבוע של 50Hz, הנקרא "הגל הבסיסי", בדומה ל"מנגינה הראשית" במוזיקה.
במציאות, מכשירי חשמל רבים אינם "מבצעים פקודות בצייתנות"-כגון נורות LED, מטענים לטלפונים ניידים, ספקי כוח למחשבים ניידים ומזגנים. הם "התקנים לא-לינארים" ואינם פועלים בהתאם לקצב של הגל הבסיסי. במקום זאת, הם "מפריעים" לגל היסודי, "מכופפים" את גל הסינוס החלק לצורות גל מוזרות.
צורות הגל המעוותות הללו, כשהן מפורקות בשיטה המתמטית של "פירוק פורייה", חושפות שהן מורכבות למעשה מתדר יסוד (50Hz) וסדרה של "הרמוניות" שתדירויותיהן הן כפולות שלמות של התדר הבסיסי. לדוגמה, ההרמוניה השלישית היא 150 הרץ (50×3), ההרמונית החמישית היא 250 הרץ (50×5), והרמוניות מסדר אפילו- הן צורות גל עם תדרים שהם אפילו כפולות של התדר הבסיסי, כגון 100 הרץ (שני) ו-200 הרץ (רביעי).
טכנולוגיית מיישר גשר מלא- "מבטלת" אפילו-הרמוניות מסדר.
מדוע אנו כמעט אף פעם לא רואים הרמוניות אפילו-מסדר? המפתח טמון בעובדה שרוב המכשירים הלא ליניאריים בשוק כיום משתמשים בטכנולוגיית ליבה הנקראת "תיקון גשר מלא"-זוהי "הפעולה הנסתרת" של המכשירים החשמליים שסביבנו, וסיבה חשובה לכך שאפילו-הרמוניות מסדר נדירות.
מהו תיקון גשר מלא-? אנו יכולים להבין זאת באנלוגיה פשוטה: זרם החילופין ברשת החשמל הוא כמו גל שעולה ויורד, כאשר חצי המחזור החיובי- עולה והחצי המחזור השלילי יורד, והכיוון משתנה כל הזמן; בעוד שתיקון גשר מלא- הוא כמו "ממיר צורות גל", שיכול "לתקן" את כיוון הזרם, ללא קשר אם הזרם נמצא בחצי המחזור החיובי או השלילי-, ולהפוך אותו לזרם ישר (או לזרם ישר פועם) באותו כיוון, בדיוק כמו לשטח את הגלים הגליים לזרימה חד-כיוונית של מים.
נורות ה-LED, מטעני הטלפונים הניידים, ספקי הכוח למחשבים ואפילו המזגנים ומכונות הכביסה בבתים שלנו כמעט כולם משתמשים בטכנולוגיית תיקון גשר מלאה-, כך שההרמוניות שהם מייצרים הן כולן- מוזרות, ואפילו-הרמוניות סדר שקשה לראות באופן טבעי.
אפילו -סדר הרמוניות מתרחשות רק כאשר צורת הגל היא א-סימטרית
כמובן, אפילו -הרמוניות סדר אינן קיימות לחלוטין, אבל הן נדירות ביותר ברשתות חשמל מודרניות. הרמוניות מסדר אפילו- מופיעות רק כאשר צורת הגל ברשת החשמל היא "אסימטרית", ויש שני תרחישים נפוצים:
- הסוג הראשון כולל ציוד המשתמש בטכנולוגיית "תיקון חצי-גל". שלא כמו תיקון גשר מלא-, יישור חצי-גל משתמש רק בחצי המחזור החיובי (או השלילי)- של זרם החילופין, ומבטל את החצי השני של צורת הגל. כתוצאה מכך נוצרת צורת גל אסימטרית, המובילה להרמוניות מסדר אחיד לאחר פירוק פורייה. עם זאת, תיקון חצי-גל אינו יעיל ביותר, ומבזבז כמות משמעותית של אנרגיה. הוא הופסק לחלוטין על ידי תיקון גשר מלא-והוא נמצא בשימוש רק בציוד ישן מאוד, כמעט מיושן (כגון מטענים מלפני עשרות שנים), מה שמקשה על זיהויו ברשת החשמל.
הסוג השני הוא כשל בציוד. לדוגמה, דיודת מיישר פגומה במכשיר יכולה למנוע את ההמרה הרגילה בין חצי-המחזור החיובי והשלילי, וכתוצאה מכך צורת גל א-סימטרית ויצירת הרמוניות מסדר שווה. עם זאת, זהו מצב תקלה; ברגע שזה מתרחש, המכשיר בדרך כלל מתקלקל או מפעיל מנגנון הגנה, ואין לו השפעה ארוכת טווח-על רשת החשמל, מה שמקשה על זיהויו.
הרמוניות עלולות לגרום להפרעות חמורות ולפגיעה במערכות החשמל, ובמקרים חמורים אף לגרום לשיתוק מערכת החשמל.
מדוע הרמוניות אפילו-מסדר "נדירות"?
במילים פשוטות, אפילו-הרמוניות סדר כמעט בלתי נראות ברשת החשמל, בעיקר בשל האימוץ הנרחב של "טכנולוגיית תיקון גשר מלאה-: היא שומרת על צורת הגל שנוצרת על ידי מכשירי חשמל סימטרית, וצורות גל סימטריות אינן ניתנות לפירוק להרמוניות אחידות-של סדר {3}, כלומר אפילו ציוד {3} מסדר רגיל אינו מייצר; בנוסף, לשנאים במערכת החשמל עצמם יש יכולת מסוימת לדכא הרמוניות מסדר אפילו-.
האם יש מוני חשמל שיכולים לבטל הרמוניות?
למען האמת, אף מד חשמל לא יכול "לחסל" הרמוניות. תפקידו של מד חשמל הוא "למדוד", לא "לנהל". בעוד שמדי חשמל אינם מבטלים הרמוניות, אכן ישנם מכשירים במערכת החשמל שתוכננו במיוחד כדי "לחסל" הרמוניות; אלה נקראים פילטרים.
מחקרים עדכניים מצביעים על כך שהתקנת מסננים מתאימים בקצה הקדמי של מדי חשמל יכולה להפחית ביעילות את השפעת ההרמוניות על דיוק המדידה.