ایجاد هارمونیک ها و تاثیرات آن در سيستمهاي برق اولين پيامد عناصر غيرخطي در شبكه است. با توجه به افزایش عناصر غیر خطی در سیستم های الکتریکی مانند اینورترها و مبدل های الکترونیک قدرت، مقدار هارمونیک شکل موج جریان و ولتاژ به طور چشمگیری افزایش یافته است. اعوجاج هارمونيكي هنوز مهمترين مسئلـه در كيفيت برق محسوب می شود. مشکلات هارمونیک با بسیاری از اصول معمول طراحی و عملکرد سیستم قدرت در قرار گرفتن زیر پوشش فركانس اصلي مغايرت دارد. بنابراین یک مهندس برق با پدیده های ناشناخته ای مواجه می شود که برای حل مسائل و تجزیه و تحلیل آنها به ابزارهای پیچیده و تجهیزات پیشرفته نیاز دارد. بر اساس اصول علوم ریاضی، هارمونیک ها قادرند که هر شکل موج متناوب را نشان دهند.
هارمونیك به چه معناست؟
به عبارت ساده، هارمونیک (Harmonics) را می توان به این صورت بیان کرد: به دلیل وجود فاکتورهایی در سیستم، شکل موج جریان و به تبع آن شکل موج ولتاژ از حالت سینوسی خارج شده و با ضرایبی دارای نوسان میشود. درسالهای اولیه هارمونیكها به دلیل مصرف كنندههای خطی متعادل در صنایع، زیاد مرسوم نبودند، این بارهای خطی جریان سینوسی فركانسی برابر با فركانس ولتاژ میكشند. بنابراین با این تجهیزات کنترل کلی سیستم کمی بهتر است. اما پیشرفت سریع در بهره وری انرژی در ساختمان های صنعتی منجر به افزایش بارهای صنعتی شده است که خطی نیستند. در ساده ترین حالت، یک بار غیر خطی شکل موج ولتاژ را از حالت سینوسی تغییر می دهد.
مولد های اصلی بارهای غیر خطی عبارتند از مبدل های DC-DC، AC-AC، AC-DC و DC-AC، درایورها، راه انداز های مختلف، رایانه ها، کنترلر ها و هر چیزی که از الکترونیک قدرت استفاده می کند. در نهایت این بارها به شکل موج ولتاژ و جریان آسیب می رسانند. در یک عنصر خطی، مانند یک مقاومت خطی، هنگامی که ولتاژ معینی در دو سر آن اعمال می شود، جریان مشخصی اندازه گیری می شود که معمولاً شکل موجی مشابه ولتاژ دارد. اما اگر ولتاژ دو برابر شود، جریان نیز دو برابر می شود و شکل موج جریان همان نوع شکل موج قبلی را خواهد داشت.
علل ایجاد هارمونیک در سیستمهای برق
هارمونیک ها در سیستم های برق می توانند به دلایل زیادی رخ دهند. یکی از دلایل اصلی این مشکل وجود وسایل الکتریکی غیر خطی مانند ماشین های متحرک، ماشین های تغییر فرکانس و وسایل الکترونیکی است که می توانند شکل موج های جریان و ولتاژ را تغییر دهند. عوامل دیگری مانند اتصال چندین تجهیز الکتریکی به خط برق و همچنین ایجاد هارمونیک به دلیل سیستم های توزیع و انتقال نیز می تواند هارمونیک در سیستم برق ایجاد کند. علاوه بر این، استفاده از وسایل الکترونیکی مانند محولههای الکتریکی و اینورتر نیز می تواند باعث ایجاد هارمونیک شود. این هارمونیکها ممکن است به دلیل تداخل با عملکرد سیستم برق، به مشکلاتی مانند افزایش دما، افزایش از دست دادن توان و کاهش عمر مفید تجهیزات منجر شوند. بخش قابل توجهی از هارمونیک های ولتاژ در سیستم های الکتریکی توسط تجهیزات زیر تولید می شود:
1️⃣درایوهای موتورها و کنترلکنندههای سرعت VSDs و ASDs
2️⃣منابع تغذیه SMPS
3️⃣راکتورها و بالاستهای الکترونیکی
4️⃣فرکانس بالا، کورههای صنعتی و جوشکاری
تاثیر امواچ هارمونیک در برق
کیفیت برق برای شرکت ها و مصرف کنندگان انرژی بسیار مهم است. دستگاه هایی مانند کامپیوتر، دستگاه های الکتریکی و دستگاه های قابل برنامه ریزی صنعتی و کنترل کننده ها به هارمونیک های برق بسیار حساس هستند. از طرفی دیگر، استفاده از لوازم تولید کننده اغتشاش در سیستم قدرت مانند منابع الکترونیک قدرت و کنترل دور موتورها روند رو به افزایشی یافته است. هارمونیک ها اعوجاج موج را به شکل سینوسی آن نشان می دهند. اما تنها در مضرب فرکانس اصلی میتوان تخریب شکل موج در فرکانسهای مختلف (چندین فرکانس اصلی) را بهعنوان نوسان دورهای به وسیله آنالیز فوریه تجزیه و تحلیل کرد. این امواج هارمونیک را می توان با استفاده از پاورآنالایزر انرژی اندازه گیری کرد.
با اهمیت ترین مشکلاتی که توسط هارمونیک های جریان تولید می شوند عبارتند از:
🟣اضافه جریان در نول|
🟣افزایش تلفات ترانسفورمرها
🟣افزایش اثر پوستی
مهم ترین مشکلاتی که توسط هارمونیک های ولتاژ تولید می شوند عبارتند از:
🟣اعوجاج ولتاژ
🟣نایکنواختی در گشتاور موتورهای القایی
ضریب اعوجاج کلی چیست؟
اعوجاج هارمونیکی کل، یک پارامتر کیفی بوده و نمایانگر آن است که یک شکل موج (سیگنال) تا چه حد به شکل موج سینوسی شبیه است. مقدار THD به صورت درصد بیان می شود و هر چه کمتر باشد، شکل موج سینوسی کیفیت بهتری دارد. به عنوان مثال، هرچه یک ویولونیست دقیق تر و به درستی تر بنوازد، سیگنالی با اعوجاج هارمونیکی کمتری تولید کرده است. برای محاسبه THD میتوانیم به شکل زیر عمل کرده و طبق رابطه زیر آن را حساب کنیم؛
تجهیزات آسیبپذیر
موتورهای الکتریکی از جمله تجهیزاتی هستند كه در معرض بیشترین اثر نامطلوب هارمونیكها قراردارند. هارمونیک های تولید شده از ولتاژ تغذیه باعث تلفات زیادی در موتورهای الکتریکی می شود که در نهایت ظرفیت نامی را کاهش می دهد. کاهش عمر مفید و فرسودگی عایق موتور به دلیل افزایش دمای داخلی بیش از مقدار اسمی از دیگر پیامدهای نامطلوب هارمونیک موتورهای الکتریکی است. تسریع فرسایش، عیوب، مشکلات عایق و کوتاه شدن عمر، رایج ترین علائم مشاهده شده در سیستم های عایق تحت نیروی هارمونیک هستند.
نتیجه گیری
همانطور که در این مقاله ذکر شد، هارمونیک ها ولتاژ و جریان های سینوسی ناخواسته هستند که در فرکانس های خاص در سیستم های الکتریکی رخ می دهد. وجود هارمونیک ها اثرات نامطلوب زیادی بر کیفیت توان، عملکرد تجهیزات و راندمان سیستم برق دارند. این به معنای کاهش کیفیت محصول و همچنین افزایش تلفات و هزینه های عملیاتی است. بنابراین کنترل و مدیریت هارمونیک در سیستم های برق بسیار مهم است. به همین منظور آذر نیرو با بهره گیری از دانش فنی متخصصان خود محصولات پیشرفته ای را در زمینه کنترل هارمونیک و همچنین دستگاه های تصحیح هارمونیک عرضه می کند تا مشتریان بتوانند با ویژگی های به روز و بهینه، الزامات استانداردهای کیفیت برق را برآورده کنند.