هارمونیک چیست و چگونه به وجود می آید و اثر فنی آن
هارمونیک چیست و چگونه به وجود می آید
این اعوجاج‌ها می‌توانند مشکلات مختلفی را در سیستم‌های الکتریکی ایجاد کنند، از جمله افزایش تلفات، گرم شدن بیش از حد تجهیزات، اختلال در عملکرد دستگاه‌های حساس و کاهش راندمان سیستم. به همین دلیل، شناسایی و حذف یا کاهش هارمونیک‌ها در سیستم‌های الکتریکی از اهمیت بالایی برخوردار است.
چرا هارمونیک‌ها ایجاد می‌شوند؟
هارمونیک‌ها به طور عمده توسط بارهای غیرخطی در سیستم‌های الکتریکی ایجاد می‌شوند. بارهای غیرخطی به دستگاه‌هایی گفته می‌شود که جریان عبوری از آنها با ولتاژ ورودی نسبت خطی ندارد. به عبارت دیگر، شکل موج جریان این دستگاه‌ها با شکل موج ولتاژ متفاوت است و شامل مولفه‌های فرکانسی دیگری علاوه بر فرکانس اصلی سیستم (مانند 50 یا 60 هرتز) می‌باشد.
برخی از منابع رایج تولید هارمونیک عبارتند از:
دستگاه‌های الکترونیک قدرت: اینورترها، درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، منابع تغذیه سوئیچینگ و سایر دستگاه‌های مشابه که در صنایع و تجهیزات مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترانسفورماتورهای هسته اشباع شده: ترانسفورماتورهایی که به دلیل اضافه بار یا طراحی نامناسب، هسته آنها به حالت اشباع می‌رسد، می‌توانند هارمونیک تولید کنند.
برخی از تجهیزات صنعتی: کوره‌های قوس الکتریکی، دستگاه‌های جوشکاری و سایر تجهیزات مشابه که جریان‌های غیرخطی می‌کشند.
لامپ‌های تخلیه الکتریکی: لامپ‌های فلورسنت و سایر لامپ‌های مشابه که از بالاست‌های الکترونیکی استفاده می‌کنند.
این بارهای غیرخطی با تغییر شکل موج جریان، باعث ایجاد هارمونیک در سیستم‌های الکتریکی می‌شوند. این هارمونیک‌ها می‌توانند مشکلات مختلفی را در سیستم ایجاد کنند، از جمله افزایش تلفات، گرم شدن بیش از حد تجهیزات، اختلال در عملکرد دستگاه‌های حساس و کاهش راندمان سیستم. به همین دلیل، شناسایی و حذف یا کاهش هارمونیک‌ها در سیستم‌های الکتریکی از اهمیت بالایی برخوردار است.
اثرات منفی هارمونیک‌ها
هارمونیک‌ها در سیستم‌های الکتریکی می‌توانند اثرات نامطلوب متعددی داشته باشند که در زیر به برخی از مهم‌ترین آنها اشاره می‌کنیم:
1. افزایش تلفات:
هارمونیک‌ها باعث افزایش جریان در سیم‌ها و تجهیزات الکتریکی می‌شوند که این امر منجر به افزایش تلفات انرژی به صورت گرما می‌شود.
این افزایش تلفات، راندمان سیستم را کاهش می‌دهد و هزینه‌های انرژی را افزایش می‌دهد.
2. گرم شدن بیش از حد تجهیزات:
جریان‌های هارمونیکی می‌توانند باعث گرم شدن بیش از حد ترانسفورماتورها، موتورها، خازن‌ها و سایر تجهیزات الکتریکی شوند.
این گرم شدن بیش از حد می‌تواند عمر تجهیزات را کاهش دهد و حتی منجر به سوختن آنها شود.
3. اختلال در عملکرد دستگاه‌های حساس:
هارمونیک‌ها می‌توانند باعث اختلال در عملکرد دستگاه‌های حساس مانند تجهیزات الکترونیکی، سیستم‌های کنترل و دستگاه‌های مخابراتی شوند.
این اختلال می‌تواند منجر به خطا در اندازه‌گیری، عملکرد نادرست تجهیزات و حتی از کار افتادن آنها شود.
4. کاهش راندمان سیستم:
هارمونیک‌ها با افزایش تلفات و اختلال در عملکرد تجهیزات، راندمان کلی سیستم الکتریکی را کاهش می‌دهند.
5. ایجاد رزونانس:
در برخی موارد، هارمونیک‌ها می‌توانند با خازن‌ها و سلف‌های موجود در سیستم، پدیده رزونانس را ایجاد کنند.
رزونانس می‌تواند منجر به افزایش شدید ولتاژ یا جریان در نقاط خاصی از سیستم شود و به تجهیزات آسیب برساند.
6. افزایش جریان نول:
در سیستم‌های سه فاز، هارمونیک‌های مرتبه سوم و مضارب آن می‌توانند باعث افزایش جریان در سیم نول شوند.
این افزایش جریان می‌تواند منجر به گرم شدن بیش از حد سیم نول و حتی آتش‌سوزی شود.
7. مشکلات در سیستم‌های مخابراتی:
هارمونیک‌ها می‌توانند باعث ایجاد نویز و اختلال در سیستم‌های مخابراتی شوند.
8. تاثیر بر تجهیزات روشنایی:
* هارمونیک‌ها می‌توانند باعث سوسو زدن لامپ‌های فلورسنت و LED شوند.
با توجه به اثرات نامطلوب هارمونیک‌ها، شناسایی و حذف یا کاهش آنها در سیستم‌های الکتریکی از اهمیت بالایی برخوردار است. برای این منظور می‌توان از روش‌های مختلفی مانند استفاده از فیلترهای هارمونیک، اصلاح بارهای غیرخطی و استفاده از تجهیزات مقاوم در برابر هارمونیک استفاده کرد.
راهکارهای کاهش هارمونیک‌ها
هارمونیک‌ها، اعوجاج‌هایی در شکل موج ولتاژ و جریان هستند که توسط بارهای غیرخطی ایجاد می‌شوند و می‌توانند مشکلات متعددی را در سیستم‌های الکتریکی به وجود آورند. برای کاهش اثرات نامطلوب هارمونیک‌ها، راهکارهای مختلفی وجود دارد که در زیر به برخی از مهم‌ترین آنها اشاره می‌کنیم:
1. استفاده از فیلترهای هارمونیک:
فیلترهای هارمونیک، تجهیزاتی هستند که برای حذف یا کاهش هارمونیک‌های موجود در سیستم الکتریکی طراحی شده‌اند.
این فیلترها می‌توانند از نوع پسیو (Passive) یا اکتیو (Active) باشند.
فیلترهای پسیو از اجزای غیرفعال مانند خازن‌ها، سلف‌ها و مقاومت‌ها تشکیل شده‌اند و برای حذف هارمونیک‌های خاصی طراحی می‌شوند.
فیلترهای اکتیو از اجزای فعال مانند ترانزیستورها و IGBTها تشکیل شده‌اند و می‌توانند طیف وسیع‌تری از هارمونیک‌ها را حذف کنند.
2. اصلاح بارهای غیرخطی:
یکی از راهکارهای مؤثر برای کاهش هارمونیک‌ها، اصلاح بارهای غیرخطی است.
این کار می‌تواند با استفاده از روش‌های مختلفی مانند استفاده از راکتورهای DC در ورودی درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و استفاده از فیلترهای داخلی در تجهیزات الکترونیکی انجام شود.
3. استفاده از ترانسفورماتورهای با طراحی خاص:
ترانسفورماتورهای با طراحی خاص می‌توانند به کاهش هارمونیک‌ها کمک کنند.
به عنوان مثال، استفاده از ترانسفورماتورهای با سیم‌پیچی مثلث-مثلث می‌تواند هارمونیک‌های مرتبه سوم را حذف کند.
4. استفاده از چوک‌های ورودی:
چوک‌های ورودی می‌توانند در ورودی دستگاه‌های الکترونیکی قدرت نصب شوند و به کاهش هارمونیک‌های جریان کمک کنند.
5. متعادل کردن بارها:
عدم تعادل بارها در سیستم‌های سه فاز می‌تواند منجر به افزایش هارمونیک‌ها شود.
بنابراین، متعادل کردن بارها می‌تواند به کاهش هارمونیک‌ها کمک کند.
6. استفاده از کابل‌های شیلددار:
استفاده از کابل‌های شیلددار می‌تواند به کاهش نویز و تداخل الکترومغناطیسی ناشی از هارمونیک‌ها کمک کند.
7. رعایت استانداردهای مربوطه:
رعایت استانداردهای مربوط به هارمونیک‌ها می‌تواند به کاهش اثرات نامطلوب آنها کمک کند.
انتخاب راهکار مناسب برای کاهش هارمونیک‌ها بستگی به عوامل مختلفی از جمله نوع بار، میزان هارمونیک‌ها، بودجه و محدودیت‌های فنی دارد. در بسیاری از موارد، ترکیبی از راهکارهای مختلف می‌تواند بهترین نتیجه را به دست دهد. برای انتخاب بهترین راهکار، توصیه می‌شود با یک متخصص برق مشورت شود.
جمع‌بندی
هارمونیک‌ها یک مشکل جدی در سیستم‌های برق هستند که می‌توانند به تجهیزات آسیب رسانده و هزینه‌های نگهداری را افزایش دهند. برای کاهش اثرات مخرب هارمونیک‌ها، باید اقدامات لازم برای شناسایی، اندازه‌گیری و کاهش آنها انجام شود.