چکیده
یکی از مباحث مرتبط با موضوع کیفیت توان الکتریکی موضوع هارمونیک در شبکه برق است. در این مقاله پس از ارائه مفهوم هارمونیک به تاثیرات آن بر شبکه برق و شاخص های سنجش آن پرداخته می شود. در انتها نیز راهکارهایی برای بهبود هارمونیک در شبکه ارائه میگردد.
عناوین مهم این مقاله
هارمونیک و مفهوم آن
گاهی اوقات در شبکه برق و یا برای تجهیزات الکتریکی عیب ها یا خرابی هایی اتفاق می افتد که به دلیل آشنایی کم با منشاء بروز آنها، وقت و هزینه زیادی صرف عیب یابی و رفع آن می گردد. از این رو آشنایی با انواع پدیده هایی که منجر به کاهش کیفیت برق و بروز مشکلات متعدد می گردند اهمیت فراوانی دارد و می تواند به تشخیص به موقع و یا حتی پیشگیری از بروز عیب ها و خرابیها منتهی شود.در مباحث طراحی و عیب یابی سیستم های قدرت و به طور خاص مبحث کیفیت توان، یکی از مواردی که همواره به چشم می آید موضوع هارمونیک است. اما هارمونیک چیست و چه مفهومی دارد؟
همان طور که می دانیم برق ایده آل دارای یک شکل موج سینوسی خالص است. اما پر واضح است که همواره در شبکه برق یک ولتاژ یا جریان سینوسی خالص نداریم. به عبارت ساده تر گاهی شکل موج ولتاژ و جریان دارای اعوجاج می شود. یعنی دیگر شکل موج سینوسی خالص نداشته و انواع اعوجاج در شکل موج رخ می دهد. هارمونیک مفهومی است که به میزان و نوع این اعوجاج در شکل موج مربوط می شود.
بر اساس یک بحث ریاضی (چیزی که با نام تحلیل فوریه شناخته می شود) هر شکل موج متناوب را می توان به صورت مجموعی از شکل موج های سینوسی با فرکانس هایی که مضارب فرکانس اصلی شکل موج هستند معادل سازی نمود. از آنجا که شکل موج ولتاژ یا جریان در شبکه حتی اگر معوج باشد متناوب است می توان همواره آن را به صورت مجموعی از شکل موج های سینوسی با فرکانس اصلی خودِ شکل موج و مضاربی از آن فرکانس اصلی در نظرگرفت. باز به زبان ساده تر میتوان گفت شکل موجی که معوج باشد علاوه بر فرکانس اصلی که به طور مثال در شبکه برق کشور ما 50 هرتز است فرکانس هایی از مراتب بالاتر نیز در آن یافت میشود. به فرکانس هایی که مضربی از فرکانس اصلی هستند هارمونیک گفته می شود.
هر شکل موجِ دارای اعوجاج (غیرسینوسی) و متناوب علاوه بر فرکانس اصلی، فرکانس هایی از مراتب بالاتر که مضربی از فرکانس اصلی هستند نیز در آن دیده می شود به این فرکانس ها هارمونیک گفته میشود. به بیان دیگر، هارمونیک معیاری برای سنجش میزان اعوجاج در برق (ولتاژ یا جریان) است.
هارمونیکها بر اساس اینکه چه مضربی از فرکانس اصلی هستند نامگذاری میشوند. مثلا هارمونیک سوم یعنی هارمونیکی که فرکانس آن سه برابر فرکانس اصلی است (یعنی 150 هرتز) به همین ترتیب هارمونیک پنجم یعنی هارمونیکی با فرکانس250 هرتز. همان طور که گفتیم شکل موج معوج از مجموع فرکانس اصلی و مولفه های هارمونیکی با مضارب فرکانس اصلی ساخته شده است. اما اینکه سهم هر فرکانس (از لحاظ دامنه و فاز) در میزان اعوجاج چقدر است کاملا بسته به نوع اعوجاج در شکل موج دارد. بدیهی است اگر دامنه ولتاژ با فرکانس مثلا 150 هرتز بیشتر از ولتاژ با فرکانس 250 هرتز باشد شکل اعوجاج با حالت بالعکس متفاوت خواهد بود.
منشا ایجاد هارمونیک
اما بعد از شناخت مفهوم هارمونیک باید به منشاء ایجاد آن بپردازیم. چرا ولتاژ یا جریان اعوجاج پیدا میکند؟
در یک کلام منشاء ایجاد هارمونیک بارهای غیرخطی هستند. بار غیرخطی باری است که شکل موج جریان آن مثل شکل موج ولتاژ آن نباشد. با اعمال یک ولتاژ سینوسی خالص به یک بار غیرخطی خواهیم دید که جریان آن به طور مثال دارای شکاف ها، پرش ها و یا به طور کلی اعوجاج هایی است. اینها همان هارمونیک ها هستند که در اثر غیرخطی بودن بار ایجاد شده اند.
پیشرفت الکترونیک قدرت طی دهه های اخیر موجب رشد فزاینده بارهای غیرخطی شده است. مثال هایی از بارهای غیرخطی عبارتند از :
- برخی تجهیزات صنعتی نظیر دستگاه های جوشکاری، کوره های قوس الکتریکی، کوره های القایی، باتری شارژها
- درایوهای سرعت متغیر برای موتورهای AC و DC
- منابع تغذیه بدون وقفه یا UPS ها
- کامپیوترها، سرورها و پرینترها
- برخی سیستم های روشنایی فلوئورسنت و LED
در اکثر این تجهیزات (نه همه آن ها) به نحوی از مبدل های الکترونیک قدرت استفاده شده است که جهت کنترل و شکل دهی توان الکتریکی، جریان الکتریکی را دچار اعوجاج می نمایند یا در برخی موارد، ماهیت بار چنین اعوجاجی را ایجاد می کند مثل قوس الکتریکی که ذاتا رفتاری غیرخطی دارد نظیر آنچه در کوره های قوس الکتریکی اتفاق میافتد.
بنابراین بارهای غیرخطی حتی اگر ولتاژ سینوسی به آن ها اعمال شود جریان آن ها دچار اعوجاج خواهد شد. پس منشاء هارمونیک ها در درجه اول جریان های هارمونیکی هستند. اما به دلیل اینکه شبکه برق در هرنقطه دارای یک امپدانس معین است عبور جریان های هارمونیکی از آن موجب ایجاد یک ولتاژ هارمونیکی می شود. بنابراین ممکن است منبع ولتاژ اصلی، بدون اعوجاج قابل ملاحظه ای باشد اما عبور جریان های هارمونیکی در نقاط مختلف شبکه ایجاد ولتاژهای هارمونیکی می کنند که با ولتاژ بدون اعوجاج اصلی جمع میشود و تمامی تجهیزات دیگری که به این نقطه از شبکه متصل هستند از یک ولتاژ هارمونیکی تغذیه خواهند شد.
تاثیرات هارمونیک بر شبکه و تجهیزات الکتریکی
موضوع هارمونیک تاثیرات متعدد و گوناگونی بر شبکه برق و تجهیزات الکتریکی می گذارد. این تاثیرات فارغ از جنبه فنی منجر به هزینه های اقتصادی زیادی می گردد. از این جمله این تاثیرات فنی می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- اختلال در عملکرد بارهای حساس
هارمونیک با تاثیر بر ولتاژ تغذیه برخی بارهای حساس نظیر سخت افزارهای کامپیوتری، دستگاه های مانیتورینگ، اندازهگیری و کنترلی و مواردی از این دست در عملکرد آن ها ایجاد اختلال نموده و یا حتی منجر به خرابی آن ها می گردد.
- افزایش تلفات انرژی
وجود جریان های هارمونیکی به شکل های مختلفی بر میزان تلفات در شبکه و تجهیزات اثر می گذارد. در هادی های شبکه با افزایش جریان موثر (به دلیل وجود مولفه های هارمونیکی) تلفات و حرارت افزایش می یابد. به طور خاص وجود برخی مولفه های هارمونیکی نظیر هارمونیک سوم می تواند جریان موثر هادی نوترال را به شدت افزایش داده و آن را گرم کند. در موتورهای الکتریکی هارمونیک ها ایجاد تلفات نموده و موجب گرمازایی سیم پیچی های آن می گردند. در ترانسفورمرها هم تلفات مسی سیم پیچی ها در اثر افزایش جریان موثر افزایش یافته و هم تلفات هسته (آهن) ترانسفورمر افزایش می یابد. در بانک های خازنی به دلیل کاهش امپدانس خازن در فرکانس های بالا، جریان های هارمونیکی بالایی از خازن عبور کرده و به شدت تلفات آن را افزایش می دهد.
- روزنانس یا تشدید
وجود المان های خازنی در شبکه برق نظیر بانک های خازنی و از طرفی المان های سلفی به طور مثال رآکتورها می تواند در شرایطی ایجاد پدیده تشدید یا رزونانس نماید. هارمونیک ها در سیستم قدرت در صورتی که در حوالی فرکانس تشدید خازن و سلف سیستم قرار بگیرند می توانند پدیده رزونانس را رقم بزنند. با بروز این پدیده ولتاژهای هارمونیکی زیاد و با ماهیت نوسانی در سیستم ظاهر می شود که می تواند به شدت آسیب زا باشد.
- اضافه بار بر روی تجهیزات و نیاز به کاهش بار نامی
هارمونیک با افزایش جریان موثر و همچنین ایجاد انواع تلفات در ترانسفورمرها، موتورها، خازن ها و غیره منجر به ایجاد اضافه بار بر روی آن ها می گردد. بنابراین در شرایط حضور هارمونیک های قابل توجه در سیستم، امکان بهرهبرداری از تجهیزات در بار نامی وجود ندارد و می بایست کاهش بارگذاری یا de-rating اتفاق بیفتد.
- ایجاد لرزش و صدا در برخی تجهیزات
هارمونیک ها در موتورهای الکتریکی با ایجاد مولفه های غیرهمجهت با مولفه اصلی (به طور مثال با ایجاد مولفه چپ گرد در مقابل مولفه اصلی راست گرد) موجب ایجاد لرزش می گردند. همچنین ایجاد “وز وز” در ترانسفورمرها می تواند ناشی از وجود مولفه های هارمونیکی باشد.
- ترکیدن خازن ها یا سوختن فیوزها
در برخی موارد خازن ها در صورت شدت مولفه های هارمونیکی ولتاژ (با فرکانس بالا) به دلیل افزایش شدید جریان عبوری از آن ها، دچار ترکیدگی می گردند. همچنین هارمونیک می تواند منجر به سوختن فیوزها و یا تریپ بریکرها و رله ها در اثر افزایش جریان پیک گردد.
- تداخل با خطوط مخابراتی و کنترلی
جریان های هارمونیکی بسته به مرتبه فرکانسی و فاصله از خطوط مخابراتی یا کنترلی می توانند ایجاد تداخلات مغناطیسی بر روی آن ها نمایند.
شاخص های سنجش هارمونیک
برای سنجش میزان هارمونیک های جریان یا ولتاژ به طور کلی دو شاخص اصلی وجود دارد: شاخص تکی هارمونیکی و اعوجاج کلی هارمونیکی؛ شاخص تکی هارمونیکی نسبت مولفه های هارمونیکی غیراصلی به مولفه اصلی را برحسب درصد نشان می دهد. به طور مثال نسبت هارمونیک سوم (150 هرتز) به مولفه اصلی (50 هرتز) بر حسب درصد، شاخص تکی مولفه سوم نامیده میشود. به کمک مقایسه این شاخص با حدود مجاز در استاندارد می توان وضعیت حضور هارمونیکها در سیستم را مشخص نمود.
شاخص اعوجاج کلی هارمونیکی (THD) وضعیت کلی میزان مولفه های هارمونیکی را در سیستم نشان می دهد. به عبارت دیگر، اینکه مقدار موثر کل مولفه های هارمونیکی ( از مرتبه دوم تا نهایتا مرتبه 50 ام) نسبت به مولفه اصلی چه درصدی را تشکیل می دهند توسط این شاخص معین میگردد.
راهکارهای بهبود هارمونیک
اولین گام پایش موثر و دقیق شاخص های هارمونیکی در شبکه و تاسیسات الکتریکی است. این کار به کمک انواع دستگاه های پایش کیفیت توان نظیر ثبات کیفیت توان قابل انجام است.
به طور کلی دو رویکرد کلی برای بهبود هارمونیک وجود دارد:
- ایجاد تغییراتی در پیکربندی شبکه برق
راهکارهای متفاوتی جهت بهبود تاثیر میزان هارمونیک ها وجود دارد. به طور مثال جابجایی بارهای غیرخطی به بالادست سیستم، استفاده از آرایش های خاص در ترانسفورمها، استفاده از منابع تغذیه مجزا و مواردی از این دست.
- استفاده از المان های جبران ساز
با استفاده از برخی المان های جبران ساز نظیر رآکتورها برای کاهش جریان هارمونیکی و یا انواع فیلترهای پسیو و اکتیو جهت حذف انتخابی مولفههای هارمونیکی می توان از آسیب های ناشی از این پدیده کاست.
لطفا در مورد جبران سازی هارمونیک ها نیز توضیح دهید