هل توجد عدادات كهرباء يمكنها القضاء على التوافقيات؟

هل لاحظت ظاهرة غريبة: يمكننا اكتشاف التوافقيات ذات الترتيب الفردي-مثل التوافقيات الثالث والخامس والسابع في شبكة الطاقة، لكننا لا نرى أبدًا توافقيات ذات ترتيب زوجي-مثل التوافقيات الثاني والرابع والسادس؟ لماذا هذا؟ هل حتى-ترتيب التوافقيات مستحيل بطبيعته اكتشافه؟

لفهم سبب ندرة التوافقيات المرتبة{{0}، يجب علينا أولاً أن نفهم ماهية "التوافقيات" في الواقع. التيار المتردد الذي نستخدمه هو بشكل مثالي موجة جيبية قياسية بتردد ثابت قدره 50 هرتز، والتي تسمى "الموجة الأساسية"، تشبه إلى حد كبير "اللحن الرئيسي" في الموسيقى.

في الواقع، العديد من الأجهزة الكهربائية لا "تلتزم بالأوامر"-مثل مصابيح LED، وشواحن الهواتف المحمولة، ومصادر إمداد الطاقة للكمبيوتر المحمول، ومكيفات الهواء. إنها "أجهزة غير خطية" ولا تعمل وفقًا لإيقاع الموجة الأساسية. وبدلاً من ذلك، فإنها "تتداخل" مع الموجة الأساسية، مما يؤدي إلى "ثني" الموجة الجيبية الناعمة إلى أشكال موجية غريبة.

هذه الأشكال الموجية المشوهة، عند تقسيمها باستخدام الطريقة الرياضية لـ "تحليل فورييه"، تكشف أنها تتكون في الواقع من تردد أساسي (50 هرتز) وسلسلة من "التوافقيات" التي تكون تردداتها مضاعفات صحيحة للتردد الأساسي. على سبيل المثال، التوافقي الثالث هو 150 هرتز (50×3)، التوافقي الخامس هو 250 هرتز (50×5)، وحتى التوافقيات الترتيبية هي أشكال موجية بترددات زوجية من مضاعفات التردد الأساسي، مثل 100 هرتز (الثاني) و200 هرتز (الرابع).

لماذا لا نرى أبدًا حتى-التوافقيات المرتبة؟ يكمن المفتاح في حقيقة أن معظم الأجهزة غير الخطية الموجودة في السوق اليوم تستخدم تقنية أساسية تسمى "تصحيح الجسر-الكامل"-وهذا هو "التشغيل الخفي" للأجهزة الكهربائية من حولنا، وهو سبب مهم وراء ندرة التوافقيات الترتيبية-.

ما هو تصحيح-الجسر الكامل؟ يمكننا أن نفهم ذلك من خلال تشبيه بسيط: التيار المتردد في شبكة الطاقة يشبه موجة ترتفع وتهبط، مع نصف الدورة الموجب-صعود ونصف الدورة السالب-هبوط، والاتجاه يتغير باستمرار؛ في حين أن تصحيح الجسر- الكامل يشبه "محول الشكل الموجي"، الذي يمكنه "تصحيح" اتجاه التيار، بغض النظر عما إذا كان التيار في نصف الدورة الموجبة أو السالبة-، وتحويله إلى تيار مباشر (أو تيار مباشر نابض) في نفس الاتجاه، تمامًا مثل تسطيح الموجات المتموجة إلى تدفق أحادي الاتجاه للمياه.

تستخدم مصابيح LED، وشواحن الهواتف المحمولة، وإمدادات طاقة الكمبيوتر، وحتى مكيفات الهواء والغسالات في منازلنا تقريبًا تقنية تصحيح الجسور- الكاملة، لذا فإن التوافقيات التي تولدها كلها ذات ترتيب فردي-، وحتى-التوافقيات المرتبة يصعب رؤيتها بشكل طبيعي.

وبطبيعة الحال، حتى التوافقيات الترتيبية- ليست غير موجودة تمامًا، ولكنها نادرة للغاية في شبكات الطاقة الحديثة. حتى -ترتيب التوافقيات يظهر فقط عندما يكون الشكل الموجي في شبكة الطاقة "غير متماثل"، وهناك سيناريوهان شائعان:

1. النوع الأول يتضمن معدات تستخدم تقنية "تصحيح نصف الموجة". على عكس تصحيح الجسر - الكامل، يستخدم تصحيح نصف الموجة - فقط دورة النصف الموجبة (أو السالبة) - للتيار المتردد، مع التخلص من النصف الآخر من شكل الموجة. وينتج عن هذا شكل موجة غير متماثلة، مما يؤدي إلى ترتيب توافقي -متساوي بعد تحلل فورييه. ومع ذلك، فإن تصحيح نصف الموجة- غير فعال على الإطلاق، مما يؤدي إلى إهدار كمية كبيرة من الطاقة. لقد تم التخلص منه تدريجيًا بالكامل عن طريق تصحيح{10}الجسر بالكامل ويستخدم فقط في بعض المعدات القديمة جدًا والتي عفا عليها الزمن تقريبًا (مثل أجهزة الشحن منذ عقود مضت)، مما يجعل من الصعب اكتشافه في شبكة الكهرباء.

النوع الثاني هو فشل المعدات. على سبيل المثال، يمكن لصمام ثنائي مقوم تالف في أحد الأجهزة أن يمنع التحويل الطبيعي بين نصف الدورات الموجبة والسالبة-، مما يؤدي إلى شكل موجة غير متماثل وتوليد توافقيات مرتبة -. ومع ذلك، هذا شرط خطأ؛ بمجرد حدوث ذلك، عادةً ما يتعطل الجهاز أو يؤدي إلى تشغيل آلية حماية، وليس له تأثير طويل الأمد- على شبكة الطاقة، مما يجعل من الصعب اكتشافه.

بعبارات بسيطة، حتى-التوافقيات الترتيبية تكاد تكون غير مرئية في شبكة الطاقة، ويرجع ذلك أساسًا إلى الاستخدام الواسع النطاق لتقنية "تصحيح الجسر-الكامل": فهي تحافظ على شكل الموجة الناتج عن الأجهزة الكهربائية متماثلًا، ولا يمكن تحليل أشكال الموجات المتناظرة إلى توافقيات مرتبة -زوجية، مما يعني أن المعدات العادية لا تولد -توافقيات مرتبة زوجية؛ بالإضافة إلى ذلك، تتمتع المحولات الموجودة في نظام الطاقة نفسها بقدرة معينة على قمع التوافقيات المنتظمة-.

بالمعنى الدقيق للكلمة، لا يمكن لأي عداد كهرباء "القضاء" على التوافقيات. وظيفة عداد الكهرباء هي "العداد" وليس "الإدارة". في حين أن عدادات الكهرباء لا تلغي التوافقيات، إلا أن هناك بالفعل أجهزة في نظام الطاقة مصممة خصيصًا "لإزالة" التوافقيات؛ وتسمى هذه المرشحات.

تشير الأبحاث الحديثة إلى أن تركيب المرشحات المناسبة في الواجهة الأمامية لعدادات الكهرباء يمكن أن يقلل بشكل فعال من تأثير التوافقيات على دقة القياس.