1. هارمونیک‌ها و منابع آن‌ها
هارمونیک‌ها، مولفه‌هایی با فرکانسی مضرب از فرکانس اصلی سیستم (معمولاً 50 یا 60 هرتز) هستند که به دلیل حضور بارهای غیرخطی در شبکه به وجود می‌آیند. بارهای غیرخطی شامل تجهیزاتی هستند که جریان آن‌ها نسبت به ولتاژ ورودی رفتار خطی ندارند، از جمله:
درایوهای سرعت متغیر (VFDs)
منابع تغذیه سوئیچینگ
آسیب‌پذیری‌های تجهیزات الکترونیکی
ترانسفورماتورهای مغناطیسی و موتورها
این تجهیزات با تغییر در شکل موج جریان، موج‌هایی با فرکانس‌های مختلف را ایجاد می‌کنند که باعث ایجاد هارمونیک‌ها در شبکه می‌شود.
2. اثرات هارمونیک‌ها در شبکه‌های توزیع
وجود هارمونیک‌ها در شبکه‌های توزیع می‌تواند منجر به مشکلات و اختلالات متعددی شود که در ادامه به بررسی آن‌ها پرداخته می‌شود:
الف) افزایش تلفات توان
هارمونیک‌ها باعث افزایش تلفات حرارتی در تجهیزات می‌شوند. به‌ویژه، در سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتورها و موتورها، جریان‌های هارمونیک موجب افزایش تلفات اهمی و هیسترزیس شده و در نتیجه منجر به افزایش دمای تجهیزات و کاهش عمر مفید آن‌ها می‌گردد.
ب) اعوجاج ولتاژ و جریان
هارمونیک‌ها با تغییر شکل موج ولتاژ و جریان، می‌توانند کیفیت توان الکتریکی را کاهش دهند. این مسئله به ویژه در سیستم‌هایی که به کیفیت توان حساس هستند، نظیر تجهیزات پزشکی، سیستم‌های مخابراتی و تجهیزات کنترلی، می‌تواند مشکلات جدی ایجاد کند.
ج) نوسانات در توان اکتیو و راکتیو
وجود هارمونیک‌ها می‌تواند منجر به نوسانات در توان اکتیو و راکتیو شود که این نوسانات ممکن است باعث نوسانات ولتاژ و نقص عملکرد تجهیزات حساس به کیفیت توان شوند.
د) افزایش تنش‌های مکانیکی و الکتریکی
هارمونیک‌ها می‌توانند باعث ایجاد تنش‌های اضافی در عایق‌بندی تجهیزات شده و منجر به آسیب‌های مکانیکی در موتورها و ژنراتورها شوند. این اثر به ویژه در تجهیزات قدیمی که ممکن است به هارمونیک‌ها حساس‌تر باشند، قابل مشاهده است.
ه) ریسونانس هارمونیکی
در برخی موارد، ریسونانس هارمونیکی می‌تواند به دلیل تطابق فرکانس هارمونیک‌ها با فرکانس طبیعی تجهیزات یا سیستم رخ دهد که باعث تشدید هارمونیک‌ها و افزایش بیشتر تلفات و تنش‌ها می‌شود.
3. راهکارهای کاهش هارمونیک‌ها
برای کاهش اثرات مخرب هارمونیک‌ها در شبکه‌های توزیع، می‌توان از روش‌های متنوعی بهره برد. برخی از مهم‌ترین این راهکارها عبارتند از:
الف) فیلترهای هارمونیک
یکی از مؤثرترین روش‌ها برای کاهش هارمونیک‌ها، استفاده از فیلترهای هارمونیک است. این فیلترها می‌توانند به صورت فعال یا غیرفعال طراحی شوند:
فیلترهای غیرفعال (Passive): این نوع فیلترها از ترکیب سلف‌ها، خازن‌ها و مقاومت‌ها تشکیل شده‌اند و به طور خاص برای کاهش هارمونیک‌های خاصی طراحی می‌شوند. این فیلترها اقتصادی هستند اما ممکن است برای کاهش هارمونیک‌های با فرکانس‌های مختلف کارایی کافی نداشته باشند.
فیلترهای فعال (Active): این فیلترها از الکترونیک قدرت برای تولید جریان‌های معکوس هارمونیکی استفاده می‌کنند و می‌توانند به طور دینامیکی هارمونیک‌های مختلف را خنثی کنند. اگرچه این فیلترها نسبت به فیلترهای غیرفعال گران‌تر هستند، اما کارایی بالاتری دارند.
ب) استفاده از تجهیزات با طراحی هارمونیک کم
یکی دیگر از راهکارهای مؤثر برای کاهش هارمونیک‌ها، استفاده از تجهیزات پیشرفته با تولید هارمونیک کم است. بسیاری از سازندگان تجهیزات صنعتی امروزی، طراحی‌های خاصی را برای کاهش تولید هارمونیک‌ها ارائه می‌دهند. برای مثال، درایوهای سرعت متغیر جدید با استفاده از تکنولوژی پیشرفته می‌توانند تولید هارمونیک‌های مرتبه بالا را کاهش دهند.
ج) بهبود طراحی سیستم‌های برقی
طراحی صحیح سیستم‌های توزیع برق می‌تواند به کاهش اثرات هارمونیک‌ها کمک کند. به طور مثال، انتخاب ترانسفورماتورهای مناسب با توجه به سطح هارمونیک‌های تولید شده در شبکه می‌تواند از تشدید هارمونیک‌ها جلوگیری کند. همچنین، تغییر آرایش شبکه با کاهش بارهای غیرخطی در یک بخش خاص از سیستم می‌تواند از تأثیر هارمونیک‌ها در سراسر شبکه جلوگیری کند.
د) اصلاح ضریب توان
استفاده از تجهیزات برای اصلاح ضریب توان می‌تواند به کاهش هارمونیک‌ها کمک کند. اصلاح ضریب توان معمولاً با نصب خازن‌های اصلاح‌کننده در نقاط مختلف شبکه صورت می‌گیرد. با اصلاح ضریب توان، می‌توان جریان‌های غیرضروری را کاهش داد و تأثیر هارمونیک‌ها را محدود کرد.
ه) استفاده از ترانسفورماتورهای ویژه
برخی از ترانسفورماتورها نظیر ترانسفورماتورهای دلتا-زیگزاگ یا ترانسفورماتورهای K-factor می‌توانند به کاهش هارمونیک‌ها کمک کنند. این ترانسفورماتورها با تغییر در ترکیب اتصال سیم‌پیچ‌ها، جریان‌های هارمونیکی را فیلتر می‌کنند.
4. اهمیت نظارت و پایش هارمونیک‌ها
نظارت مستمر بر هارمونیک‌های موجود در شبکه از طریق سیستم‌های پایش کیفیت توان یکی از ابزارهای کلیدی برای مدیریت هارمونیک‌ها است. با استفاده از این سیستم‌ها، می‌توان به‌صورت دقیق میزان هارمونیک‌های تولید شده در نقاط مختلف شبکه را اندازه‌گیری و بهینه‌سازی کرد. این نظارت به بهبود عملکرد تجهیزات و افزایش عمر مفید آن‌ها کمک می‌کند.
نتیجه‌گیری
هارمونیک‌ها می‌توانند تأثیرات مخربی بر عملکرد شبکه‌های توزیع برق و تجهیزات متصل به آن داشته باشند. اثرات آن‌ها شامل افزایش تلفات توان، اعوجاج ولتاژ و جریان، و ایجاد تنش‌های مکانیکی و الکتریکی است. به همین دلیل، اتخاذ راهکارهای مؤثر نظیر استفاده از فیلترهای هارمونیک، بهبود طراحی سیستم‌ها، و نظارت بر کیفیت توان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. با مدیریت درست هارمونیک‌ها، می‌توان از کاهش کیفیت توان و آسیب‌های احتمالی به تجهیزات جلوگیری کرد و عمر مفید تجهیزات و شبکه را بهبود بخشید.
ترجمه و جمع آوری:
واحد تحقیق و توسعه بارق، Baregh
بارق، مرجع تخصصی آگهی ها و نیازمندی های صنعت برق
