در مورد هارمونیک‌ها بدانید

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: هارمونیک‌های خط و فلیکر دو مورد آلودگی فرکانس پایین هستند که بیش از سایر هارمونیک‌ها مورد توجه گروه‌های استاندارد قرار گرفته‌اند.
IEC در سال ۱۹۸۲ یک استاندارد سه قسمتی با شماره ۵۵۵ IEC منتشر کرد که بخش اول: تعاریف، بخش دوم هارمونیک‌ها و بخش سوم تغییرات ولتاژ بود این استاندارد و به خصوص بخش هارمونیک‌های آن، پس از چندین بار تغییر بالاخره در اواسط دهه ۹۰ قسمتی از خانواده ۱۰۰۰ IEC از سری استاندارد‌های EMC شد. در آمریکا نیز استاندارد ۵۱۹، ۱۹۹۲ ANSI/IEEE محدودیت‌هایی برای هارمونیک‌های جریان و ولتاژ قائل شد. این استاندارد روزآمد استاندارد قبلی ۵۱۹، ۱۹۸۱ IEEE بود که تنها برای هارمونیک‌های ولتاژ محدودیت قائل شده بود.

در این دو استاندارد دو گرایش دیده می‌شود. استاندارد‌های IEC مقدار مجاز تزریق هارمونیک وسیله برقی را مشخص می‌کند و استاندارد‌های IEEE مقدار مجاز آلودگی هارمونیکی در نقطه اتصال سیستم توزیع با مصرف کننده را مشخص می‌کند. با قبول استاندارد IEEE باید به وسایل الکترونیک قدرت یک سخت افزار اضافه کرد و یا آن‌ها را دوباره طراحی کرد. سخت افزار اضافی، یک مدار شکل دهنده جریان خط است که می‌تواند فعال یا نافعال باشد. به عنوان مثال استفاده از یک MOSFET قدرت و یک سلف در طرح یکسو کننده تک فاز است که یکسو کننده را به نوع یکسو کننده تقویت تبدیل می‌کند.
در مقابل با قبول استاندارد IEEE، شرکت برق و مصرف کننده برق (به جای سازنده وسیله برقی) وظیفه کاهش هارمونیک را به عهده دارند.
اختلاف قابل ملاحظه دیگر اینکه استاندار‌های IEC به Cénélec پیشنهاد شده است و موقعی که Cénélec آن‌ها را بپذیرد (همچنانکه ۱۰۰۰، ۳، ۲ IEC را پذیرفت)، آن‌ها به عنوان استاندارد‌های اروپایی پذیرفته می‌شوند، یعنی رعایت این استاندارد‌ها با وضع قوانینی در اروپا اجباری می‌شود. در حالی که رعایت استاندارد‌های IEEE تنها توصیه است (اجباری نیست).
یک موضوع حل نشده دیگر، تعریف مؤلفه‌های جریان و توان (مثلاً توان راکتیو) در شرایط غیر سینوسی در شبکه‌های توزیع است. برای بررسی شرایط غیر سینوسی دو روش حوزه فرکانسی و حوزهٔ زمانی مطرح است. شرکت‌های توزیع علاقه‌مندند کیفیت خرابی (و آلودگی) موج را در حوزه فرکانس و توسط چند مؤلفه محدود هارمونیکی نمایش دهند و بررسی کنند.
مزیت روش فرکانسی این است که اندازه گیری خرابی موج در حوزهٔ فرکانس ساده‌تر از اندازه گیری آن در حوزه زمان است. اما در سیستم‌های تغذیه عملی و همچنین برای کنترل فیلتر‌های اکتیو قدرت، بررسی در حوزه زمان مناسب‌تر است.
در مورد کاربرد‌های صنعتی، یعنی توان‌های بیش از KW۳، قوانین و استاندارد‌هایی که این مصرف کننده‌ها را از نظر آلودگی هارمونیکی محدود کند وجود ندارد. البته استاندارد ۵۱۹، ۱۹۹۲ IEEE توان‌های بالا را پوشش می‌دهد. اما الزام آور نیست و استاندارد اروپایی ۱۰۰۰، ۳، ۴ IEC هنوز در حد پیش نویس است و قابل اجرا نیست.
در حال حاضر حداقل ضریب توان و مقدار خرابی جریان (یا ولتاژ) در نقطه اتصال مشترک شرکت برق و مصرف کننده (PCC)، موضوع مهم مورد بحث بین شرکت برق و مصرف کننده است. لازم به ذکر است که محدوده مجاز خرابی جریان (یا ولتاژ) در نقطه اتصال مشترک به طور قابل ملاحظه‌ای به ظرفیت جریان اتصال کوتاه در این نقطه بستگی دارد.
برای مدت‌های طولانی تنها محدودیت شرکت‌های توزیع روی مصرف کننده‌های بزرگ، توان راکتیو مصرفی بود که این کار با نصب یک بانک خازنی مناسب در محل بار برطرف می‌شد. اخیراً شرکت‌های برق به محدود کردن جریان هارمونیکی تزریق شده به شبکه توجه بیشتری کرده‌اند و مصرف کننده‌های صنعتی را مجبور به استفاده از فیلتر‌های تنظیم پذیر یا فیلتر‌های پایین گذر برای حذف هارمونیک کرده‌اند. متأسفانه این فیلتر‌ها به خاطر امپدانس کم آن‌ها در فرکانس‌های هارمونیکی، جریان هارمونیکی شدیدی جذب می‌کنند و اگر ولتاژ تغذیه حتی خرابی کمی هم داشته باشد این جریان زیاد باعث تشدید خرابی ولتاژ تغذیه می‌شود. مشکل دیگر این جبران کننده‌های نافعال که در نقاط مختلف شبکه نصب شده‌اند این است که ممکن است با یکدیگر تداخل کرده و عبور جریان‌های حاصل از پدیده تشدید در اندوکتانس خطوط، ولتاژ‌های هارمونیکی پیش بینی نشده‌ای روی سایر مصرف کننده‌ها تولید کنند.

در گذشته با ابتکار در طراحی و آرایش ترانسفورماتور‌ها و مبدل‌های الکترونیک قدرت نظیر آرایش ستاره – مثلث و آرایش زیگزاگ یا متوالی کردن دو مبدل یکسان که با هم اختلاف فاز دارند هارمونیک تزریقی به خط را کاهش می‌دادند. اما امروزه با ظهور کلید‌های نیمه هادی با کنترل خاموشی نظیر GTO و IGBT ترکیب‌ها و آرایش‌های مختلف به آسانی قابل انجام است و به کمک این وسایل می‌توان یکسو کننده با کنترل عرض پالسی (یکسو کننده PWM) با کمترین میزان هارمونیک و ضریب توان نزدیک به یک ساخت در راه حل‌های جدید، برای حذف هارمونیک از جبران کننده‌های سوئیچ استفاده می‌شود که به عنوان فیلتر اکتیو عمل می‌کنند. این جبران کننده‌ها بر اساس دستور سیستم کنترل می‌توانند هر شکل موج جریان آلوده کننده را جذب و حذف کنند. در این روش بدون اینکه ولتاژ تغذیه خراب شود، جریان‌های راکتیو و هارمونیکی حذف می‌شوند. همچنین بار‌های جبران شده شبیه بار مقاومتی عمل می‌کنند.

در نتیجه پدیده تشدید از بین رفته و عملکرد کل سیستم قدرت نیز بهبود پیدا می‌کند.
تکنولوژی جبران کننده‌های سوئیچ بر کلید‌های نیمه هادی قدرت مانند IGBT و GTO استوار است بنابراین هزینه آن در مقایسه با فیلتر نافعال زیاد است. بنابراین گرایش کنونی به طراحی سیستم‌های جبران کننده مجتمعی است که با ترکیب جبران کننده‌های نوع سوئیچ و نوع نافعال، ضمن برآورده کردن مشخصه مطلوب، هزینه را حداقل کند.