بارهای هارمونیک زا

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: بروز هارمونیک در سیستم‎های برق اولین پیامد عناصر غیرخطی در شبکه است. به‎‎‎خاطر گسترش فزاینده استفاده از عناصر غیرخطی در سیستم‎‎های برق، مانند راه‎‎انداز‌ها (درایورهای تنظیم سرعت) و مبدل‎‎های الکترونیکی قدرت، مقدار هارمونیک شکل موج جریان و ولتاژ به‎‎‎طور چشمگیری افزایش یافته است و بنابراین اهمیت موضوع کاملاً مشخص است.

بررسی مسائل هارمونیک‎‎‌ها منجر به تحقیقاتی گردید که نتایج آن نقطه‎‎نظرات متعددی درمورد کیفیت برق بود. به‎‎نظر برخی از محققین، اعوجاج هارمونیکی هنوز مهمترین مسئلـه کیفیت برق می‎‎باشد. مسائل هارمونیکی با بسیاری از قوانین معمولی طراحی سیستم‎های قدرت و عملکرد آن تحت فرکانس اصلی مغایر است؛ بنابراین مهندس برق با پدیده‎‎های ناآشنایی روبرو می‎‎شود که نیاز به ابزار پیچیده و تجهیزات پیشرفته برای حل مشکلات و تجزیه و تحلیل آن‌ها دارد.

 

 گرچه تحلیل مسائل هارمونیکی می‎‎تواند دشوار باشد، ولی خوشبختانه همه سیستم قدرت دارای مشکل هارمونیکی نیست و فقط درصد کمی از فیدرهای مربوط به سیستم‎های توزیع تحت‎‎تأثیر عوامل ناشی از هارمونیک‎‎‌ها قرار می‎‎گیرند.

مشترکین برق در صورت وجود هارمونیک‎‌ها مشکلات زیادتری از شرکت‎های برق را تحمل می‎کنند. مشترکین صنعتی که از محرکه‎‎های موتور با قابلیت تنظیم سرعت، کوره‎‎های قوس الکتریکی، کوره‎‎های القایی، یکسوکننده‎‎‌ها، اینورترها، دستگاه‎‎های جوش و نظایر آن استفاده می‎‎کنند، نسبت به مسائل ناشی از اعوجاج هارمونیکی ضربه‎‎پذیرتر از بقیه مشترکین می‎باشند.

اعوجاج هارمونیکی یک پدیده جدید در سیستم‎های قدرت به شمار نمی‎رود. نگرانی ناشی از اعوجاج در بسیاری از دوره‎‌ها درسیستم‎های قدرت الکتریکی جریان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوی منابع و مطالب تکنیکی دهه‎های قبل نشان می‎دهد که مقالات مختلفی دررابطه با این موضوع انتشار یافته است.

 

اولین منابع هارمونیکی شناخته‎‎شده، ترانسفورماتور‌ها بودند و اولین مشکل نیز در سیستم‎های تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپ‎های قوس الکتریک به‎‎‎دلیل مؤلفه‎های هارمونیکی توجهات خاصی را برانگیخت، ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدل‎های الکترونیک قدرت در سال‎های اخیر نبوده است.

خوشبختانه در طی این سال‌ها پژوهشگران متوجه شده اند که اگر سیستم انتقال به نحو مناسبی طراحی گردد، به‎‎نحوی که بتواند مقدار توان مورد نیاز بار‌ها را به راحتی تأمین نماید، احتمال ایجاد مشکل ناشی از هارمونیک‎‌ها برای سیستم قدرت بسیار کم خواهدبود، گرچه این هارمونیک‎‌ها می‎توانند موجب مسائلی در سیستم‎های مخابراتی شوند.

اغلب در سیستم‎های قدرت مشکلات زمانی بروز می‎کنند که خازن‎های موجود در سیستم باعث ایجاد تشدید دریک فرکانس هارمونیکی گردند. دراین شرایط اغتشاشات و اعوجاجات، بسیار بیش از مقادیر معمول می‎گردند. امکان ایجاد این مشکلات در مورد مراکز کوچک مصرف وجود دارد، ولی شرایط بدتر در سیستم‎های صنعتی به‎دلیل درجه زیادی از تشدید رخ می‎دهد.

علت ایجاد اعوجاج هارمونیکی
اعوجاج هارمونیکی در سیستم‎های قدرت ناشی از عناصر غیرخطی می‎باشد. عنصر غیرخطی عنصری است که جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نمی‎باشد افزایش چند درصدی ولتاژ ممکن است باعث شود که جریان دوبرابر شده و نیز موج جریان شکل دیگری به خود بگیرد. این مورد ساده‌ای از منبع تولید اعوجاج در سیستم قدرت می‎باشد.

هر شکل موج اعوجاجی پریودیک را می‎توان به صورت جمع موج‎های سینوسی بیان نمود. یعنی وقتی که شکل موج از یک سیکل به سیکل دیگر تغییر نکند، این موج را می‎توان به صورت جمع امواج سینوسی خالص که درآن فرکانس هر موج سینوسی، مضرب صحیحی از فرکانس اصلی موج اعوجاجی است نمایش داد. این موج‎های سینوسی که فرکانس آن‎‌ها ضریب صحیحی از فرکانس اصلی می‎باشند، هارمونیک‎های مؤلفه اصلی گویند. جمع این موج‎های سینوسی به سری فوریه معروف است این مفهوم ریاضی اولین بار توسط فوریه ریاضیدان فرانسوی مورد توجه قرار گرفت.

مزایای فنی و اقتصادی کاهش هارمونیک‎‎‌ها
اگرچه بحث تفصیلی درمورد خسارات هارمونیک‎‎‌ها، پیچیده است، ولی می‎توان در یک جمع‎‎بندی اجمالی مزایای کاهش هارمونیک‎‎‌ها را به‎شرح زیر بیان نمود:
۱) کاهش تلفات تجهیزات الکتریکی و شبکه برق‎‎رسانی
۲) آزادسازی ظرفیت تجهیزات شبکه مانند موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتور‌ها
۳) افزایش طول عمر تجهیزات به‎دلیل کاهش تلفات و کاهش درجه حرارت
۴) کاهش احتمال رزونانس موازی و سری در شبکه
۵) افزایش راندمان موتورهای الکتریکی
۶) کاهش خطای عملکرد رله‎‎‌ها، تجهیزات کنترلی و حفاطتی شبکه ناشی از تأثیرات هارمونیک‎‎‌ها
۷) کاهش خطای قرائت دستگاه‎‎های اندازه‎گیری و کنتور‌ها و در نتیجه کاهش خطای مبالغ دریافتی از مشترکین
۸) عملکرد بهتر تجهیزات شبکه و مشترکین از جمله ماشین‎‎های الکتریکی به‎دلیل کاهش اثر گشتاورهای مخالف به‎واسطه برخی از هارمونیک‎‎‌ها
۹) بهبود رضایت مشترکین به‎دلیل بهبود کیفیت توان

تجهیزات آسیب‎‎پذیر
موتورهای الکتریکی ازجمله وسایلی هستند که درمعرض بیشترین اثر نامطلوب هارمونیک‎‌ها قراردارند، هارمونیک حاصل‎‎از ولتاژ تغذیه باعث تلفات بالاتر در موتورهای الکتریکی شده که باعث کاهش ظرفیت‎ نامی می‎‎شود. کاهش عمر و فرسوده شدن عایق‎‎بندی موتور به‎‎‎خاطر افزایش دمای داخلی بالاتراز میزان نامی، از دیگر اثرات نامطلوب هارمونیک‎‌ها در موتورهای الکتریکی است.
سیستم عایق‎‎بندی آسیب‎‎پذیرترین قسمت یک موتور الکتریکی درمقابل افزایش دمای حاصل‎‎از هارمونیک است. تسریع در‎ فرسایش، خطا و مشکلات عایقی و کاهش عمر معمول‎‎ترین نشانه‎‎های مشاهده شده در سیستم‎های عایقیِ درمعرض اضافه حرارت، می‎‎باشد.

منابع تولید هارمونیک

پیدایش عناصر نیمه هادی و المان‎‎های غیرخطی نظیر دیود، تریستور و … و استفاده فراوان از آن‌ها در شبکه‎‎های قدرت عامل جدیدی برای ایجاد هارمونیک در سیستم‎های قدرت به‎وجود آورد. کاربرد این عناصر را می‎توان در تجهیزات و سیستم‎های قدرت زیر دید:
– کوره‎های قوس الکتریکی و القایی
– یکسوکننده‎‎‌ها و مبدل‎‎های الکترونیک قدرت
– تجهیزات مورد استفاده در کنترل‎‎کننده‎های سرعت ماشین‎های الکتریکی (VSD)
– کاربرد SVC بعنوان ابزار مهمی درکنترل توان راکتیو
– بارهای غیرخطی شامل دستگاه‎‎های جوشکاری
– جریان مغناطیسی ترانسفورماتور
از سوی دیگر عوامل زیر را نیز می‎توان به عنوان تولیدکننده هارمونیک در نظر گرفت:
– تولید شکل موج غیر سینوسی توسط ماشین‎های سنکرون ناشی از وجود شیار‌ها و عدم توزیع یکنواخت سیم‎‎پیچی‎های استاتور
– توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی در ماشین‎های سنکرون
همچنین صنایع زیر را می‎توان از جمله عوامل تولید هارمونیک در شبکه‎های الکتریکی محسوب نمود:
– صنایع شامل مجتمع‎های شیمیایی و پتروشیمی و نیز صنایع ذوب آلومینیم که از یکسوکننده‎های پرقدرت برای تولید برق DC مورد نیـاز انجام فرآیندهای شیمیـائی و ذوب آلومینیـم استفـاده می‎کنند. با توجـه به قـدرت بالا، این یکسـوکننده‎‌ها هارمونیک قابل ملاحظه‎ای در شبکه قدرت به وجود می‎آورند.
– استفاده از سیستم‎های الکترونیک قدرت در سیستم حمل و نقل برقی مانند اتوبوس برقی و مترو‌ها باعث می‎شود سطوح زیادی از هارمونیک به سیستم توزیع تزریق شود.
– بارهای غیرخطی مانند کوره‎های قوس الکتریکی که در صنایع ذوب‎‎آهن استفاده می‎شود از عوامل تولید هارمونیک در مقیاس بزرگ می‎باشند.