هارمونیک‌ها و اثرات آن

بروز هارمونیک‌ها و اثرات آن در سيستم‎‌هاي برق اولين پيامد عناصر غيرخطي در شبكه است.

به‎‎‎ خاطر گسترش فزاينده استفاده از عناصر غيرخطي در سيستم‎‎‌هاي برق، مانند راه‌‎‎اندازها (اینورترها) و مبدل‎‎‌هاي الكترونيكي قدرت، مقدار هارمونيك شكل موج جريان و ولتاژ به‎‎‎ طور چشمگيري افزايش يافته است.

اعوجاج هارمونيكي هنوز مهم‌ترين مسئلـه در كيفيت برق مي‎‎‌باشد.

مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين معمولي طراحي سيستم‎‌هاي قدرت و عملكرد آن در قرار گرفتن زیر پوشش فركانس اصلي مغايرت دارد.

بنابراين مهندس برق با پديده‎‎‌هاي نا آشنايي روبرو مي‎‎‌شود كه نياز به ابزار پيچيده و تجهيزات پيشرفته براي حل مشكلات و تجزيه و تحليل آن‌ها دارد.

تحلیل مسائل هارمونيكي:

گرچه تحليل مسائل هارمونيكي مي‌‎‎تواند دشوار باشد، ولي خوشبختانه همه سيستم قدرت داراي مشكل هارمونيكي نيست.

فقط درصد كمي از فيدرهاي مربوط به سيستم‌‎هاي توزيع تحت ‎‎تأثير عوامل ناشي از هارمونيك‎‎‌ها قرار مي‎‎‌گيرند.

مشتركين برق در صورت وجود هارمونيك‎‌ها مشكلات زيادتري از شركت‎‌هاي برق را تحمل مي‎‌كنند.

مشتركين صنعتي كه از محركه‎‎‌هاي موتور با قابليت تنظيم سرعت، كوره‌‎‎هاي قوس الكتريكي، كوره‎‎‌هاي القايي، يكسوكننده‎‎‌ها، اينورترها، دستگاه‎‎‌هاي جوش و نظاير آن استفاده مي‎‎‌كنند.

نسبت به مشکلات ناشي از اعوجاج هارمونيكي آسیب پذیرتر از بقيه مشتركين مي‌‎باشند.

اعوجاج هارمونيكي يك رویداد جديد در سيستم‌‎هاي قدرت به شمار نمي‌‎رود.

نگراني ناشي از اعوجاج در بسياري از دوره‎‌ها در سيستم‎‌هاي قدرت الكتريكي جريان متناوب وجود داشته و دنبال شده است.

اولين منابع هارمونيكي شناخته‎‎ شده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستم‎‌هاي تلفن پديد آمد.

استفاده گروهي از لامپ‎‌هاي قوس الكتريك به ‎‎‎دليل مؤلفه‌‎هاي هارمونيكي توجهات خاصي را برانگيخت.

ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدل‎‌هاي الكترونيك قدرت در سال‎‌هاي اخير نبوده است.

پژوهشگران متوجه شده‌اند كه اگر سيستم انتقال به نحو مناسبي طراحي گردد، به‎‎ نحوي كه بتواند مقدار توان مورد نياز بارها را به راحتي تأمين نمايد، احتمال ايجاد مشكل ناشي از هارمونيك‌ها براي سيستم قدرت بسيار كم خواهدبود.

گرچه اين هارمونيك‎‌ها مي‎‌توانند موجب مسائلي در سيستم‎‌هاي مخابراتي شوند.

اغلب در سيستم‎‌هاي قدرت مشكلات زماني بروز مي‌‎كنند كه خازن‎‌هاي موجود در سيستم باعث ايجاد تشديد در يك فركانس هارمونيكي گردند.

در اين شرايط اغتشاشات و اعوجاجات، بسيار بيش از مقادير معمول مي‎‌گردند.

امكان ايجاد اين مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولي شرايط بدتر در سيستم‎‌هاي صنعتي به‎‌دليل درجه زيادي از تشديد رخ مي‎‌دهد.

سطوح هارمونیک‌های جریان و ولتاژ:

سطوح هارمونیک‌های جریان و ولتاژ در سیستم توزیع، دائما در حال افزایش است.

یک دلیل مهم توسعه وسایلی است که تولید هارمونیک می‌کنند.

وسایل کنترل کننده تریستوری نمونه‌ای است که در سطوح قدرت صنعتی، تجاری و خانگی در حد وسیعی مورد استفاده قرار گرفته است.

این وسایل برای کنترل ولتاژ، سرعت تغییر فرکانس و مدل قدرت به کار برده می‌شوند و عموماً به سبب قیمت پائین‌تر، بازده بیشتر و نگهداری ساده‌تر جایگزین دیگر وسایل شده‌اند.

دلیل دیگر افزایش هارمونیک‌ها، ازدیاد تحریک ترانسفورماتورهای توزیع است که کاربرد آن‌ها عملاً بیشتر می‌شود.

دلیل سوم استفاده از خازن‌های شنت را می‌توان نام برد.

خازن‌ها تولید هارمونیک نمی‌کنند.

اما نصب خازن‌های تصحیح کننده، ضریب قدرت المان‌های پتانسیلی را افزایش و حضور آن‌ها در مدار القائی اساساً امکان حلقه‌های شبکه را برای رزونانس یا تشدید هارمونیک محیا می‌سازد.

تمایل به سوی ظرفیت بیشتر و ولتاژ بالاتر سیستم‌های توزیع در سطوح هارمونیک اثر خواهد گذاشت.

پوشش‌های وسیع سیستم‌ها همراه با تمایل به سوی حلقه‌های شبکه طویل‌تر مدار تلفن موجب رویارویی با مسائل تداخل القایی اضافی را میسر خواهد ساخت.

آمیختن بارهای مسکونی، تجاری و صنعتی به درجه زیاد روی همان فیدرها امکان تداخل القائی اضافی را مطرح خواهد نمود.

با تغذیه کابورترهای قدرت با ظرفیت بالاتر از این فیدرها در نتیجه مقدار بیشتر منابع و جریان هارمونیک از شبکه نیرو کشیده خواهد شد.

تصحیح کننده ضریب قدرت:

بانک خازن‌های تصحیح کننده ضریب قدرت به تعداد زیادتر یا در اندازه بزرگتر منجر به ترکیبات بیشتر پارامترهای مدار برای تولید حلقه‌های رزونانس می‌شوند.

ایستگاه‌های کششی قدرت (مانند مترو، تراموا) برای ترانزیت سریع از سیستم‌های توزیع تغذیه شده، به علت آمیختن با بارهای تجاری و مسکونی معمولا سطوح هارمونیک محیطی را افزایش می‌دهند.

بیشتر صنایع آلومینیوم و کلر در فرآیند تولیدات خود از سیستم‌های dc استفاده می‌نمایند.

این تأسیسات هارمونیک بالا را تولید می‌کنند.

خلاصه آن‌که کوچکترین تردیدی باقی نمی‌گذارد که هارمونیک‌ها بدون کنترل در سیستم، در حال افزایش و توسعه می‌باشند.

در این جا سعی بر بیان اثرات زیان‌آور هارمونیک‌ها روی دستگاه‌ها و روش‌های کنترل آن داریم.

علت ايجاد اعوجاج هارمونيكي:

اعوجاج هارمونيكي در سيستم‎‌هاي قدرت ناشي از عناصر غيرخطي مي‌‎باشد.

عنصر غيرخطي عنصري است كه جريان آن متناسب با ولتاژ اعمالي نمي‌‎باشد.

افزايش چند درصدي ولتاژ ممكن است باعث شود كه جريان دو برابر شده و نيز موج جريان شكل ديگري به خود بگيرد.

اين مورد ساده‌اي از منبع توليد اعوجاج در سيستم قدرت مي‎‌باشد.

هر شكل موج اعوجاجي پريوديك را مي‌‎توان به صورت جمع موج‎‌هاي سينوسي بيان نمود.

يعني وقتي كه شكل موج از يك سيكل به سيكل ديگر تغيير نكند، اين موج را مي‌‎توان به صورت جمع امواج سينوسي خالص كه در آن فركانس هر موج سينوسي، مضرب صحيحي از فركانس اصلي موج اعوجاجي است، نمايش داد.

اين موج‌‎هاي سينوسي كه فركانس آن‎ها ضريب صحيحي از فركانس اصلي مي‎‌باشند، هارمونيك‎‌هاي مؤلفه اصلي گويند.

جمع اين موج‎‌هاي سينوسي به سري فوريه معروف است.

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.