چه چیزی موجب ایجاد هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق می‌شود

در سیستم‌های برق، هارمونیک‌ها توسط بارهای غیرخطی ایجاد می‌شوند که در سیستم‌های جریان متناوب شکل موج‌های جریان یا ولتاژ غیرسینوسی تولید می‌کنند. هارمونیک‌ها مؤلفه‌های موج سینوسی با ضرایب صحیح فرکانس‌های غیر از فرکانس اصلی هستند. دلایل اصلی ایجاد هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق عبارتند از:

بار غیرخطی

بارهای غیرخطی آنهایی هستند که در آن جریان به صورت خطی با ولتاژ مرتبط نیست. این نوع بار در سیستم برق رایج است و منابع اصلی آن شامل موارد زیر است:

• صافی‌کننده: دستگاهی برای تبدیل جریان متناوب به مستقیم، مانند تغییر دهنده‌ی ولتاژ، مبدل فرکانس و غیره.

• منبع تغذیه سوئیچینگ: منبع تغذیه معمول در تجهیزات الکترونیکی مدرن، مانند منابع تغذیه کامپیوتر، شارژرهای موبایل و غیره.

• مبدل: دستگاهی برای تبدیل جریان مستقیم به متناوب، معمولاً در سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی، ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی و غیره یافت می‌شود.

• راننده‌ی فرکانس متغیر: دستگاهی برای کنترل سرعت موتور، که در حوزه‌ی اتوماسیون صنعتی گسترده‌استفاده دارد.

• ماشین لحیم‌کاری با قوس الکتریکی: جریان غیرخطی در فرآیند لحیم‌کاری ایجاد می‌شود.

• لامپ‌های گازی: مانند لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های سدیم فشار بالا و غیره، که در زمان روشن شدن و عملکرد هارمونیک تولید می‌کنند.

تجهیزات الکترونیکی قدرت

تجهیزات الکترونیکی قدرت که در سیستم‌های برق مدرن گسترده‌استفاده دارند نیز منابع مهم هارمونیک هستند:

• مبدل فرکانس: برای کنترل سرعت و گشتاور موتور جریان متناوب استفاده می‌شود، اصول کار آن هارمونیک تولید می‌کند.

• UPS (منبع تغذیه بدون وقفه): هنگام تغییر به حالت تغذیه با باتری هارمونیک تولید می‌شود.

• مبدل: دستگاهی برای تغییر فرکانس جریان متناوب، مانند مبدل استفاده شده در تولید انرژی بادی.

موتورها و ترانسفورماتورها

حتی در موتورها و ترانسفورماتورهای سنتی، به دلایلی مانند اثرات اشباع مغناطیسی، هارمونیک‌های کمی ممکن است ایجاد شود:

• موتورها: به ویژه در مرحله‌ی شروع کار، هارمونیک‌ها ممکن است به دلیل تأثیر منحنی‌های مغناطیسی غیرخطی تولید شوند.

• ترانسفورماتور: هنگامی که ترانسفورماتور در منطقه‌ی اشباع کار می‌کند، هارمونیک تولید می‌کند.

مشکلات شبکه خود

• بار نامتوازن: بار نامتوازن در سیستم سه‌فاز می‌تواند باعث شود که جریان میانی شامل هارمونیک شود.

• انتقال طولانی مدت: در فرآیند انتقال طولانی مدت، اثرات القایی و ظرفیتی خط ممکن است باعث تقویت هارمونیک شوند.

عوامل دیگر

• پیری تجهیزات قدرت: تجهیزات قدرت قدیمی ممکن است به دلیل تخریب مؤلفه‌های داخلی هارمونیک اضافی تولید کنند.

• طراحی ناقص: سیستم‌های قدرت طراحی شده به صورت ناقص می‌توانند باعث تقویت یا تولید هارمونیک شوند.

اثرات هارمونیک

هارمونیک‌ها می‌توانند تأثیرات مختلف منفی بر سیستم‌های قدرت داشته باشند، از جمله اما نه محدود به:

• افزایش زیان‌های تجهیزات: هارمونیک‌ها می‌توانند باعث زیان‌های اضافی موتورها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات شوند و عمر آن‌ها را کاهش دهند.

• کاهش کارایی سیستم: هارمونیک‌ها می‌توانند کارایی سیستم را کاهش دهند و مصرف انرژی را افزایش دهند.

• تأثیر بر دقت اندازه‌گیری: هارمونیک‌ها می‌توانند دقت اندازه‌گیری کنتورهای برق را اختلال دهند و باعث محاسبه‌ی نادرست مصرف برق شوند.

• تداخل با سیستم ارتباطی: هارمونیک‌ها می‌توانند با سیستم ارتباطی تداخل ایجاد کرده و کیفیت انتقال سیگنال را تحت تأثیر قرار دهند.

• فعال‌سازی رزونانس: در برخی موارد، هارمونیک‌ها می‌توانند با القایی‌ها و ظرفیت‌های سیستم رزونانس ایجاد کرده و مشکلات جدی کیفیت برق ایجاد کنند.

اصلاحات هارمونیک

برای کاهش تأثیر هارمونیک‌ها، معمولاً اقدامات زیر انجام می‌شود:

• فیلترها: نصب فیلترهای غیرفعال یا فعال برای جذب یا مقابله با هارمونیک‌ها.

• افزایش القای بار: با افزایش القای بار برای کاهش هارمونیک‌ها.

• بهبود مشخصات بار: استفاده از بار با محتوای کم هارمونیک، مانند صافی‌کننده‌ی سه‌فاز به جای صافی‌کننده‌ی تک‌فاز.

• جبران‌سازی واکنش‌دار پویا: استفاده از تجهیزاتی مانند SVG (generator reactive static) برای جبران‌سازی واکنش‌دار پویا.

خلاصه

هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق عمدها توسط بارهای غیرخطی مانند صافی‌کننده‌ها، منابع تغذیه سوئیچینگ، مبدل‌ها، راننده‌های فرکانس متغیر و غیره ایجاد می‌شوند. هارمونیک‌ها می‌توانند تأثیرات منفی بر عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم برق داشته باشند، بنابراین لازم است تا اقدامات مناسب برای کاهش یا حذف هارمونیک‌ها اتخاذ شود.