ما الذي يسبب التوافقيات في الأنظمة الكهربائية؟
التناغمات في الأنظمة الكهربائية تنتج بسبب الأحمال غير الخطية التي تولد موجات كهربائية غير جيبية للتيار أو الجهد في الأنظمة ذات التيار المتردد. التناغمات هي مكونات موجة الجيب بمضاعفات ترددات مختلفة عن التردد الأساسي. فيما يلي بعض الأسباب الرئيسية للتناغمات في الأنظمة الكهربائية:
الأحمال غير الخطية
الأحمال غير الخطية هي تلك التي يكون فيها التيار غير مرتبط خطياً بالجهد. هذا النوع من الأحمال شائع في نظام الطاقة، والمصادر الرئيسية تشمل:
المستقيم (Rectifier): جهاز يستخدم لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، مثل محول الطاقة، المحول الترددي، إلخ.
مصدر الطاقة المتغير (Switching power supply): مصدر الطاقة الشائع الاستخدام في المعدات الإلكترونية الحديثة، مثل مصدر طاقة الكمبيوتر، شاحن الهاتف المحمول، إلخ.
المعكوس (Inverter): جهاز يستخدم لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد، وهو شائع في أنظمة الطاقة الشمسية الضوئية، محطات شحن السيارات الكهربائية، إلخ.
سائق التردد المتغير (Variable frequency driver): جهاز يستخدم لتحكم في سرعة المحرك، ويستخدم على نطاق واسع في مجال الأتمتة الصناعية.
آلة اللحام القوسية (Arc welding machine): يتم إنتاج تيار غير خطي أثناء عملية اللحام.
أضواء الإشعاع الغازي (Gas discharge lamps): مثل أضواء الفلوريسنت، وأضواء الصوديوم ذات الضغط العالي، إلخ، ستنتج تناغمات أثناء التشغيل والتشغيل.
معدات الإلكترونيات الطاقة
أجهزة الإلكترونيات الطاقة المستخدمة على نطاق واسع في الأنظمة الكهربائية الحديثة هي أيضًا مصادر مهمة للتناغمات:
محول التردد (Frequency converter): يستخدم لتحكم في سرعة وعزم الدوران للمحرك ذو التيار المتردد، ومبادئ عمله ستنتج تناغمات.
مصدر الطاقة المستمر (UPS - Uninterruptible Power Supply) : تُنتج تناغمات عند التحويل إلى وضع تشغيل البطارية.
المحوّل (Converter): جهاز يستخدم لتغيير تردد التيار المتردد، مثل المحول المستخدم في توليد الطاقة الرياح.
المحركات والمحوّلات
حتى في المحركات والمحوّلات التقليدية، قد يحدث تناغمات طفيفة بسبب أسباب مثل آثار التشبع المغناطيسي:
المحركات: خاصة في مرحلة التشغيل الأولي، قد يتم إنتاج تناغمات بسبب تأثير المنحنيات المغناطيسية غير الخطية.
المحوّل: عندما يعمل المحوّل في منطقة التشبع، سيقوم أيضًا بإنتاج تناغمات.
مشكلات الشبكة نفسها
الحمل غير المتوازن: يمكن أن يؤدي الحمل غير المتوازن في النظام الثلاثي الطور إلى احتواء التيار المحايد على تناغمات.
النقل على مسافات طويلة: خلال عملية النقل على مسافات طويلة، يمكن أن تؤدي آثار الحث والسعة في الخط إلى تضخيم التناغمات.
عوامل أخرى
شيخوخة معدات الطاقة: قد تنتج معدات الطاقة القديمة تناغمات إضافية بسبب تدهور المكونات الداخلية.
عيوب التصميم: يمكن أن يؤدي تصميم نظام الطاقة السيء إلى تضخيم أو إنتاج تناغمات.
تأثيرات التناغمات
يمكن أن تسبب التناغمات مجموعة متنوعة من الآثار السلبية على أنظمة الطاقة، بما في ذلك ولكن ليس فقط:
زيادة خسائر المعدات: يمكن أن تؤدي التناغمات إلى زيادة خسائر المحركات والمحوّلات وغيرها من المعدات، مما يقصر عمر الخدمة.
خفض كفاءة النظام: يمكن أن تقلل التناغمات من كفاءة النظام وتزيد استهلاك الطاقة.
تأثير على دقة القياس: ستؤدي التناغمات إلى تداخل في دقة قياس عداد الطاقة، مما يؤدي إلى حساب غير صحيح لرسوم الكهرباء.
التداخل مع نظام الاتصالات: ستتسبب التناغمات في تداخل مع نظام الاتصالات وتؤثر على جودة نقل الإشارة.
تحفيز الرنين: في بعض الحالات، يمكن أن ترن التناغمات مع المكثفات والحث في النظام، مما يسبب مشاكل خطيرة في جودة الطاقة.
تدابير قمع التناغمات
من أجل تقليل تأثير التناغمات، يتم عادةً اتخاذ التدابير التالية:
المفلترات: تثبيت مفلترات ساكنة أو نشطة لامتصاص أو مواجهة التناغمات.
زيادة الحث للحمل: عن طريق زيادة الحث للحمل لقمع التناغمات.
تحسين خصائص الحمل: استخدام حمل ذو محتوى تناغمات منخفض، مثل مستقيم ثلاثي الأطوار بدلاً من مستقيم أحادي الطور.
تعويض الطاقة الفعالة الديناميكي: استخدام معدات مثل SVG (مولد الطاقة الفعالة الساكن) لتعويض الطاقة الفعالة بشكل ديناميكي.
ملخص
التناغمات في الأنظمة الكهربائية تنتج أساساً بسبب الأحمال غير الخطية، مثل المستقيمات ومصادر الطاقة المتغيرة والمراوح المعكوسة وسائقي التردد المتغير، إلخ. يمكن أن تؤثر التناغمات سلبًا على أداء وموثوقية نظام الطاقة، لذا فمن الضروري اتخاذ تدابير مناسبة لقمع أو إزالة التناغمات.
