بارق - تحلیل جامع انواع هارمونیک: اثرات و راهکارهای کاهش

مقدمه

هارمونیک‌ها در سیستم‌های الکتریکی به عنوان یکی از مهم‌ترین چالش‌های کیفیت توان شناخته می‌شوند. این پدیده که در اثر بارهای غیرخطی ایجاد می‌شود، تأثیرات مخربی بر تجهیزات و عملکرد شبکه‌های برق دارد. شناخت انواع هارمونیک و روش‌های رفع آن می‌تواند به بهبود کیفیت توان و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمک کند.

انواع هارمونیک‌ها

هارمونیک‌ها به طور کلی به فرکانس‌هایی اطلاق می‌شوند که مضربی از فرکانس پایه سیستم هستند (مانند 50 یا 60 هرتز). بسته به مرتبه و نوع تجهیزات، هارمونیک‌ها به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

1. هارمونیک‌های مرتبه فرد

هارمونیک‌هایی با فرکانس‌های مضربی از عدد فرد فرکانس پایه (مانند 3، 5، 7 و 9). این نوع از هارمونیک‌ها معمولاً بیشترین سهم را در ایجاد اعوجاج شبکه دارند و توسط بارهای غیرخطی مانند منابع تغذیه سوئیچینگ، درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، و تجهیزات الکترونیکی ایجاد می‌شوند.

2. هارمونیک‌های مرتبه زوج

هارمونیک‌هایی که مضربی از اعداد زوج فرکانس پایه هستند (مانند 2، 4، 6 و ...). این هارمونیک‌ها در سیستم‌های متقارن کمتر دیده می‌شوند اما ممکن است در سیستم‌های نامتعادل یا دارای عیوب الکتریکی ظاهر شوند.

3. هارمونیک‌های مرتبه بالا

هارمونیک‌هایی با مرتبه بسیار بالاتر (مانند 11، 13 و بالاتر). این نوع هارمونیک‌ها معمولاً در اثر تجهیزات الکترونیکی پیشرفته یا سیستم‌های قدرت با فرکانس‌های کلیدزنی بالا ایجاد می‌شوند.

4. هارمونیک‌های تزویج‌شده (Interharmonics)

این نوع از هارمونیک‌ها فرکانس‌هایی بین مضرب‌های صحیح فرکانس پایه دارند و معمولاً توسط تجهیزات خاص مانند مبدل‌های فرکانس یا تجهیزات با رفتار دینامیکی پیچیده تولید می‌شوند.

5. هارمونیک‌های ساب‌هارمونیک (Subharmonics)

هارمونیک‌هایی با فرکانس‌های کمتر از فرکانس پایه (مانند 0.5×50Hz). این نوع هارمونیک‌ها اغلب در سیستم‌های با بارهای خاص یا تجهیزات دینامیکی دیده می‌شوند.

اثرات هارمونیک‌ها

اعوجاج شکل موج: هارمونیک‌ها موجب انحراف از شکل موج سینوسی ایده‌آل می‌شوند.

گرمایش اضافی تجهیزات: ترانسفورماتورها، موتورها و کابل‌ها در حضور هارمونیک‌ها گرمای بیشتری تولید می‌کنند.

افت بازدهی سیستم‌ها: کاهش بازدهی در تجهیزات الکتریکی و موتورها.

پدیده رزونانس: احتمال وقوع رزونانس در حضور بانک خازنی.

خطاهای کنترلی: تأثیر منفی بر عملکرد سیستم‌های کنترل حساس.

راه‌های رفع هارمونیک‌ها

1. استفاده از فیلترهای هارمونیک

الف) فیلترهای پسیو (Passive Filters)

این فیلترها برای حذف هارمونیک‌های خاص طراحی می‌شوند و شامل اجزایی مانند سلف، خازن و مقاومت هستند. فیلترهای پسیو برای هارمونیک‌های مرتبه پایین مانند مرتبه 3، 5 و 7 بسیار مؤثر هستند.

ب) فیلترهای فعال (Active Filters)

این فیلترها می‌توانند به طور دینامیکی و در لحظه هارمونیک‌های مختلف را شناسایی و حذف کنند. فیلترهای فعال برای سیستم‌هایی با تغییرات دینامیکی بار مناسب هستند.

2. استفاده از بارهای خطی جایگزین

تا جای ممکن، بارهای غیرخطی را با بارهای خطی جایگزین کنید یا تجهیزات غیرخطی را به‌گونه‌ای بهینه کنید که تولید هارمونیک‌ها کاهش یابد.

3. تقسیم بار روی فازها

در سیستم‌های سه‌فاز، توزیع متعادل بارها می‌تواند از تجمع هارمونیک‌ها جلوگیری کند.

4. استفاده از ترانسفورماتورهای زیگزاگ

این ترانسفورماتورها به دلیل طراحی خاص خود، می‌توانند هارمونیک‌های مرتبه 3 را کاهش دهند.

5. نصب بانک خازنی با فیلتر هارمونیک

برای جلوگیری از پدیده رزونانس، استفاده از بانک خازنی همراه با فیلتر هارمونیک ضروری است.

6. پایش کیفیت توان

استفاده از دستگاه‌های تحلیلگر کیفیت توان برای شناسایی و تحلیل هارمونیک‌ها و تعیین بهترین راهکار.

نتیجه‌گیری

هارمونیک‌ها یکی از مهم‌ترین عوامل کاهش کیفیت توان در شبکه‌های الکتریکی هستند. شناسایی دقیق انواع هارمونیک و استفاده از راهکارهای مناسب برای کاهش آن‌ها می‌تواند تأثیرات مثبت زیادی بر بهره‌وری و عملکرد سیستم‌های برقی داشته باشد. با استفاده از فیلترهای مناسب و مدیریت صحیح بارهای غیرخطی، می‌توان به کیفیت توان بهینه و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری دست یافت.