چه چیزی باعث ایجاد هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق می‌شود

هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق به دلیل بارهای غیرخطی که موج‌های غیرسینوسی جریان یا ولتاژ را در سیستم‌های جریان متناوب تولید می‌کنند، ایجاد می‌شوند. هارمونیک‌ها مؤلفه‌های موج سینوسی با ضرایب صحیح از فرکانس‌های غیر اساسی هستند. در زیر برخی از عوامل اصلی ایجاد هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق آورده شده است:

بار غیرخطی

بارهای غیرخطی آنهایی هستند که در آن‌ها جریان به صورت خطی با ولتاژ مرتبط نیست. این نوع بار در سیستم‌های قدرت معمول است و منابع اصلی آن شامل موارد زیر است:

• مستطیل‌ساز: دستگاهی برای تبدیل جریان متناوب به مستقیم، مانند تغییر دهنده توان، مبدل فرکانس و غیره.

• منبع تغذیه تبدیل پذیر: منبع تغذیه که معمولاً در تجهیزات الکترونیکی مدرن استفاده می‌شود، مانند منابع تغذیه کامپیوتر، شارژرهای موبایل و غیره.

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

• راننده متغیر فرکانس: دستگاهی برای کنترل سرعت موتور، که در حوزه اتوماسیون صنعتی گسترده استفاده می‌شود.

• ماشین لحام القایی: جریان غیرخطی در طول فرآیند لحام تولید می‌شود.

• لامپ‌های رها کننده گاز: مانند لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های سدیم فشار بالا و غیره، که در مرحله روشن شدن و عملکرد هارمونیک تولید می‌کنند.

تجهیزات الکترونیکی قدرت

تجهیزات الکترونیکی قدرت که در سیستم‌های قدرت مدرن گسترده استفاده می‌شوند نیز منابع مهم هارمونیک هستند:

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

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

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

موتورها و ترانسفورماتورها

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

• موتورها: به ویژه در مرحله راه‌اندازی، هارمونیک ممکن است به دلیل تأثیر منحنی‌های مغناطیسی غیرخطی تولید شود.

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

مشکلات شبکه خود

• بار نامتوازن: بار نامتوازن در سیستم سه‌فاز می‌تواند باعث شود که جریان میانه حاوی هارمونیک باشد.

• انتقال دوردست: در فرآیند انتقال دوردست، اثرات القایی و ظرفیتی خط ممکن است باعث تقویت هارمونیک شود.

عوامل دیگر

• سن زیاد تجهیزات قدرت: تجهیزات قدیمی‌تر ممکن است به دلیل تخریب اجزای داخلی هارمونیک اضافی تولید کنند.

• عیوب طراحی: سیستم‌های قدرت بد طراحی شده می‌توانند باعث تقویت یا تولید هارمونیک شوند.

اثرات هارمونیک

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

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

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

• تاثیر بر دقت اندازه‌گیری: هارمونیک‌ها می‌توانند دقت اندازه‌گیری کنتورهای برق را تحت تاثیر قرار دهند و محاسبه صحیح مصرف برق را اختلال دهند.

• اختلال در سیستم ارتباطی: هارمونیک‌ها می‌توانند اختلال در سیستم ارتباطی ایجاد کرده و کیفیت انتقال سیگنال را تحت تاثیر قرار دهند.

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

اقدامات کاهش هارمونیک

برای کاهش تأثیر هارمونیک‌ها، معمولاً از اقدامات زیر استفاده می‌شود:

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

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

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

• جبران‌سازی توان راکتیو پویا: استفاده از تجهیزات مانند SVG (generator توان راکتیو پویا) برای جبران‌سازی توان راکتیو پویا.

خلاصه

هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق عمدتاً به دلیل بارهای غیرخطی مانند مستطیل‌سازها، منابع تغذیه تبدیل پذیر، مبدل‌ها و راننده‌های متغیر فرکانس ایجاد می‌شوند. هارمونیک‌ها می‌توانند تأثیرات منفی بر عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم قدرت داشته باشند، بنابراین لازم است اقدامات مناسب برای کاهش یا حذف هارمونیک‌ها اتخاذ شود.