هارمونیک‌ها و اثرات آن

منابع هارمونیک

پيدايش عناصر نيمه‌هادي و المان‎‎‌هاي غيرخطي نظير ديود، تريستور و … و استفاده فراوان از آنها در شبكه‎‎‌هاي قدرت عامل جديدي براي ايجاد هارمونيك در سيستم‎‌هاي قدرت به‌‎وجود آورد.

كاربرد اين عناصر را مي‎‌توان در تجهيزات و سيستم‎‌هاي قدرت زير ديد:

•  كوره‌هاي قوس الكتريكي و القايي
•  يكسوكننده‌‎‎ها و مبدل‎‎‌هاي الكترونيك قدرت
•  تجهيزات مورد استفاده در كنترل كننده‌هاي سرعت ماشين‎هاي الكتريكي
•  كاربرد SVC به عنوان ابزار مهمي دركنترل توان راكتيو
• بارهاي غيرخطي شامل دستگاه‌هاي جوشكاري
• جريان مغناطيسي ترانسفورماتور

از سوي ديگر عوامل زير را نيز مي‎‌توان به عنوان توليدكنندة هارمونيك در نظر گرفت:

•  توليد شكل موج غير سينوسي توسط ماشين‎‌هاي سنكرون ناشي از وجود شيارها و عدم توزيع يكنواخت سيم‎‎‌پيچي‎‌هاي استاتور
•  توزيع غير سينوسي فوران مغناطيسي در ماشين‎‌هاي سنكرون

صنایع به عنوان عامل توليد هارمونيك در شبكه‎‌هاي الكتريكي:

•  صنايع شامل مجتمع‌‎هاي شيميايي و پتروشيمي و نيز صنايع ذوب آلومينيم كه از يكسوكننده‌‎هاي پرقدرت براي توليد برق DC مورد نيـاز انجام فرآيندهاي شيميـایي و ذوب آلومينيـم استفـاده مي‌‎كنند.

• با توجـه به قـدرت بالا، اين يكسـوكننده‎‌ها هارمونيك قابل ملاحظه‌‎اي در شبكه قدرت به وجود مي‌‎آورند.

• استفاده از سيستم‎‌هاي الكترونيك قدرت در سيستم حمل و نقل برقي مانند اتوبوس برقي و متروها باعث مي‎‌شود سطوح زيادي از هارمونيك به سيستم توزيع تزريق شود.

• بارهاي غيرخطي مانند كوره‎‌هاي قوس الكتريكي كه در صنايع ذوب‎‎ آهن استفاده مي‌‎شود، از عوامل توليد هارمونيك در مقياس بزرگ مي‌‎باشند.

عوامل تولید و مشترکین تولید کننده فلیکر:

•  سوییچ کردن سریع بارهای بزرگ (مانند پرس‌های اتوماتیک)
•  راه‌اندازی موتورهای با توان بالا (خصوصاً با کارکرد پریودیک)
• بارهای نوسانی (مانند کوره‌های الکتریکی کنترل شده توان بالا)
•  تجهیزات جوشکاری
•  کوره‌های قوس الکتریکی

ماشین‌های گردنده:

• در ماشین‌های القایی مهم‌ترین هارمونیک‌ها عمدتاً به دلیل تغییر در مقاومت مغناطیسی ایجاد شده به واسطه شیارها در روتور استاتور تولید می‌شوند.

• تولید هارمونیک در ماشین‌های سنکرون بستگی به عواملی چون تحریک (اشباع در مدار اصلی، مسیر نشتی و فضای نامتقارن سیم پیچی مستهلک کننده دارد.)
• کانورترهای کابردی حذف کامل ترتیب‌های پائین‌تر هارمونیک را نشان نمی‌دهند.

• زیرا مدار ترانسفورماتور و نامتعادلی در آتش تریستور وجود داشته که در ملاحظات تئوریکی طرح‌های اصلاحی در نظر گرفته نمی‌شود.
•  
• به عنوان مثال مقدار هارمونیک‌های پنجم و هفتم در کانورتر 12 پالس در واقع 15 تا 20 درصد مقادیر نشان داده شده برای کانورتر 6 پالسه است.

هارمونیک‌ها و اثرات آن:

هارمونیک‌ها و اثرات آن در دو سطح قابل بررسی است:

• نخست دستگاه و تأسیسات
• سپس در کنترل، حفاظت و اندازه گیری.

در حالت نخست نتایج نسبتاً بالای هارمونیک‌های ولتاژ و جریان موجب ایجاد هارمونیک می‌گردد.

زیان، خسارت و معیوب شدن دستگاه‌ها یا تلفات بالای غیر قابل قبول انرژی می‌گردد.

حالت دوم شامل تداخل سیستم‌های مصرفی، حفاظتی، کنترل و تنزل در دقت سیستم‌های اندازه‌گیری می‌شود.

بانک‌های خازن:

• اثرات هارمونیک‌ها روی خازن‌ها، تلفات اضافی و حرارت را موجب می‌گردد همچنین نسبت فازی نامطلوب بین هارمونیک‌ها و ولتاژ اعمال شده به خازن ممکن است منجر به افزایش بیشتر از ده درصد ولتاژ منابع خازن گردد.
• این مهم و قابل توجه است، زیرا کرونا در این سطح ولتاژ شروع و باعث تقلیل عمر خازن و یا معیوب شدن خازن می‌گردد.
• ولتاژ فوق تابعی است از ولتاژ پیک به پیک و نه ولتاژ rms از این رو اغلب به گونه‌ای است که اصولاً جمع حسابی ولتاژهای کرست پایه و هارمونیک از 110 درصد نامی ولتاژ کرست خازن تجاوز ننماید.
• (ولتاژ نامی خازن * 4/1 *1/1 )، سرانجام باید اطمینان لازم را بوجود آورد که هارمونیک تولید جریان و Var متجاوز از مقادیر نامی در جریان می‌باشد.

ماشین‌های گردنده:

• در موتورهای القائی بازده و حرارت دو عامل قابل بررسی هستند.
• هارمونیک‌ها در گشتاور موتور اثر داشته اما عموماً انتظار نمی‌رود مهم و قابل توجه باشند.
• همچنین نوسانات مکانیکی تولید شده در اثر گشتاورهای نوسانی بواسطه یک اثر متقابل بین جریان‌های هارمونیک و فیلد مغناطیسی مبناء می‌باشد.
• برای ماشین‌های سنکرون اثرات مشابه است، اصل مهم حرارت ایجاد شده خصوصاً بواسطه جریان القاء شده در روتور می‌باشد.

ترانسفورماتورها:

• هارمونیک‌های ولتاژ موجب افزایش تلفات آهنی و هارمونیک های جریان سبب افزایش تلفات مس و تلفات شار می‌گردند.
• نتیجه افزایش حرارت این است که ممکن است ناچیز باشد.
• لحظاتی است که اولین علائم موجود سطوح هارمونیک غیر قابل تحمل، بشدت حرارت ترانسفورماتورها را زیاد می کند.

سوئیچر:

• یک اثر بدیهی جریان های هارمونیک، زیاد شدن حرارت و تلفات است.
• امکان اثر گذاشتن روی قطع کننده های مدار وجود دارد. به‌هرحال در این رابطه هیچگونه راهنمائی وجود ندارد.

اضافه ولتاژ یا اضافه جریان سیستم:

• نوسانات وسیع بار در سیستم توزیع همراه با تغییر سطوح Var خازنی منجر به نوسانات قابل ملاحظه در مدار و فرکانس رزونانس می‌گردد.
• خصوصاً مداراتی که متحمل جریان و ولتاژ منابع هارمونیک فوق الذکر شده اند می‌توانند به سطوح بالای ولتاژ و جریان غیر قابل انتظار در سیستم هدایت گردند.
• این مسئله منتهی به معیوب شدن نابهنگام عایقی دستگاه می‌شود.
• همچنین در بعضی موارد نادر منجر به معیوب شدن برقگیر شده است.
• اضافه جریان‌های هارمونیک ممکن باعث سوختن و همچنین مشکلاتی برای آسیاب‌های مدار شکن تداخل القائی، ازدیاد هدایت و تلفات بیش از اندازه و حرارت گردد.

فیوزها:

• جریان‌های هارمونیکی با دامنه وسیع می‌تواند باعث سوختن فیوز شوند.
• همچنین روی مشخصات جریان و زمان فیوز تأثیر بگذارد.
• زیرا حرارت بیشتر از حرارت پیش بینی شده در المان‌های ذوب شوند.
• فیوز ایجاد می‌گردد زمان‌های ذوب مینیمم کوتاه‌تر شده، به ویژه برای فالت‌ها با مقدار پائین‌تر.