بارهای هارمونیک
مقدمه:
هنگامیکه استفاده از مبدل های الکترونیک قدرت در اواخر دهه 1970 معمول گردید، توجه بسیاری از مهندسین شرکت های برق درمورد توانایی پذیرش اعوجاج هارمونیکی توسط سیستم های قدرت را برانگیخت . پیشبینی های مأیوس کنندهای از سرنوشت سیستم های قدرت درصورت اجازه استفاده ازاین تجهیزات انجام گرفت. درحالیکه بعضی ازاین نگرانیها احتمالاً بیش از حد قلمداد گردیدند، ولی بررسی مفهوم کیفیت برق مدیون این افراد به دلیل پیگیری آنها درمورد این مسئله می باشد.
بروز هارمونیک در سیستم های برق اولین پیامد عناصر غیرخطی در شبکه است. به خاطر گسترش فزاینده استفاده از عناصر غیرخطی در سیستم های برق، مانند راه اندازها (درایورهای تنظیم سرعت) و مبدل های الکترونیکی قدرت، مقدار هارمونیک شکل موج جریان و ولتاژ بهطور چشمگیری افزایش یافته است و بنابراین اهمیت موضوع کاملاً مشخص است.
بررسی مسائل هارمونیک ها منجر به تحقیقاتی گردید که نتایج آن نقطه نظرات متعددی درمورد کیفیت برق بود. به نظر برخی از محققین، اعوجاج هارمونیکی هنوز مهمترین مسئلـه کیفیت برق می باشد. مسائل هارمونیکی با بسیاری از قوانین معمولی طراحی سیستم های قدرت و عملکرد آن تحت فرکانس اصلی مغایر است. بنابراین مهندس برق با پدیده های ناآشنایی روبرو می شود که نیاز به ابزار پیچیده و تجهیزات پیشرفته برای حل مشکلات و تجزیه و تحلیل آنها دارد. گرچه تحلیل مسائل هارمونیکی می تواند دشوار باشد، ولی خوشبختانه همة سیستم قدرت دارای مشکل هارمونیکی نیست و فقط درصد کمی از فیدرهای مربوط به سیستم های توزیع تحت تأثیر عوامل ناشی از هارمونیک ها قرار میگیرند. مشترکین برق در صورت وجود هارمونیک ها مشکلات زیادتری از شرکتهای برق را تحمل میکنند. مشترکین صنعتی که از محرکههای موتور با قابلیت تنظیم سرعت، کورههای قوس الکتریکی، کورههای القایی، یکسوکننده ها ، اینورترها، دستگاه های جوش و نظایر آن استفاده میکنند، نسبت به مسائل ناشی از اعوجاج هارمونیکی ضربه پذیرتر از بقیة مشترکین می باشند.
اعوجاج هارمونیکی یک پدیده جدید در سیستم های قدرت به شمار نمی رود. نگرانی ناشی از اعوجاج در بسیاری از دوره ها درسیستم های قدرت الکتریکی جریان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوی منابع و مطالب تکنیکی دهه های قبل نشان می دهد که مقالات مختلفی دررابطه با این موضوع انتشار یافته است. اولین منابع هارمونیکی شناخته شده، ترانسفورماتورها بودند و اولین مشکل نیز در سیستم های تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپ های قوس الکتریک به دلیل مؤلفه های هارمونیکی توجهات خاصی را برانگیخت ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدل های الکترونیک قدرت در سالهای اخیر نبوده است.
خوشبختانه در طی این سال ها پژوهشگران متوجه شده اند که اگر سیستم انتقال به نحو مناسبی طراحی گردد، به نحوی که بتواند مقدار توان مورد نیاز بارها را به راحتی تأمین نماید، احتمال ایجاد مشکل ناشی از هارمونیک ها برای سیستم قدرت بسیار کم خواهد بود، گرچه این هارمونیک ها میتوانند موجب مسائلی در سیستم های مخابراتی شوند. اغلب در سیستم های قدرت مشکلات زمانی بروز میکنند که خازن های موجود در سیستم باعث ایجاد تشدید دریک فرکانس هارمونیکی گردند. دراین شرایط اغتشاشات و اعوجاجات، بسیار بیش از مقادیر معمول میگردند. امکان ایجاد این مشکلات در مورد مراکز کوچک مصرف وجود دارد ولی شرایط بدتر در سیستم های صنعتی به دلیل درجه زیادی از تشدید رخ میدهد.
علت ایجاد اعوجاج هارمونیکی
اعوجاج هارمونیکی در سیستمهای قدرت ناشی از عناصر غیرخطی میباشد. عنصر غیرخطی عنصری است که جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نمیباشد افزایش چند درصدی ولتاژ ممکن است باعث شود که جریان دوبرابر شده و نیز موج جریان شکل دیگری به خود بگیرد. این مورد ساده ای از منبع تولید اعوجاج در سیستم قدرت میباشد.
هر شکل موج اعوجاجی پریودیک را میتوان به صورت جمع موج های سینوسی بیان نمود. یعنی وقتی که شکل موج از یک سیکل به سیکل دیگر تغییر نکند، این موج را میتوان به صورت جمع امواج سینوسی خالص که درآن فرکانس هر موج سینوسی، مضرب صحیحی از فرکانس اصلی موج اعوجاجی است نمایش داد. این موج های سینوسی که فرکانس آنها ضریب صحیحی از فرکانس اصلی می باشند، هارمونیک های مؤلفه اصلی گویند. جمع این موج های سینوسی به سری فوریه معروف است این مفهوم ریاضی اولین بار توسط فوریه ریاضیدان فرانسوی مورد توجه قرار گرفت.
مزایای فنی و اقتصادی کاهش هارمونیک ها
اگرچه بحث تفصیلی درمورد خسارات هارمونیک ها ، پیچیده است ولی میتوان در یک جمع بندی اجمالی مزایای کاهش هارمونیک ها را به شرح زیر بیان نمود :
1)کاهش تلفات تجهیزات الکتریکی و شبکه برقرسانی
2)آزادسازی ظرفیت تجهیزات شبکه مانند موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها
3)افزایش طول عمر تجهیزات به دلیل کاهش تلفات و کاهش درجه حرارت
4)کاهش احتمال رزونانس موازی و سری در شبکه
5)افزایش راندمان موتورهای الکتریکی
6)کاهش خطای عملکرد رله ها ، تجهیزات کنترلی و حفاطتی شبکه ناشی از تأثیرات هارمونیک ها
7)کاهش خطای قرائت دستگاه های اندازه گیری و کنتورها و در نتیجه کاهش خطای مبالغ دریافتی از مشترکین 
عملکرد بهتر تجهیزات شبکه و مشترکین از جمله ماشین های الکتریکی به دلیل کاهش اثر گشتاورهای مخالف بهواسطه برخی از هارمونیک ها
9)بهبود رضایت مشترکین به دلیل بهبود کیفیت توان
تجهیزات آسیبپذیر
موتورهای الکتریکی ازجمله وسایلی هستند که درمعرض بیشترین اثر نامطلوب هارمونیک ها قراردارند، هارمونیک حاصلاز ولتاژ تغذیه باعث تلفات بالاتر در موتورهای الکتریکی شده که باعث کاهش ظرفیت نامی می شود. کاهش عمر و فرسوده شدن عایقبندی موتور بهخاطر افزایش دمای داخلی بالاتراز میزان نامی، از دیگر اثرات نامطلوب هارمونیک ها در موتورهای الکتریکی است.
سیستم عایقبندی آسیبپذیرترین قسمت یک موتور الکتریکی درمقابل افزایش دمای حاصلاز هارمونیک است.تسریع در فرسایش، خطا و مشکلات عایقی و کاهش عمر معمولترین نشانههای مشاهده شده در سیستمهای عایقیِ درمعرض اضافه حرارت، میباشد.
منابع تولید هارمونیک
پیدایش عناصر نیمه هادی و المان های غیرخطی نظیر دیود ، تریستور و … و استفادة فراوان از آنها در شبکه های قدرت عامل جدیدی برای ایجاد هارمونیک در سیستم های قدرت بهوجود آورد. کاربرد این عناصر را میتوان در تجهیزات و سیستم های قدرت زیر دید:
– کوره های قوس الکتریکی و القایی
– یکسوکننده ها و مبدلهای الکترونیک قدرت
– تجهیزات مورد استفاده در کنترلکننده های سرعت ماشین های الکتریکی ( VSD)
– کاربرد SVC بعنوان ابزار مهمی درکنترل توان راکتیو
– بارهای غیرخطی شامل دستگاه های جوشکاری
– جریان مغناطیسی ترانسفورماتور
از سوی دیگر عوامل زیر را نیز میتوان به عنوان تولیدکنندة هارمونیک در نظر گرفت:
– تولید شکل موج غیر سینوسی توسط ماشین های سنکرون ناشی از وجود شیارها و عدم توزیع یکنواخت سیم پیچی های استاتور
– توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی در ماشین های سنکرون
همچنین صنایع زیر را میتوان از جمله عوامل تولید هارمونیک در شبکه های الکتریکی محسوب نمود:
– صنایع شامل مجتمع های شیمیایی و پتروشیمی و نیز صنایع ذوب آلومینیم که از یکسوکننده های پرقدرت برای تولید برق DC مورد نیـاز انجام فرآیندهای شیمیـائی و ذوب آلومینیـم استفـاده میکنند. با توجـه به قـدرت بالا، این یکسـوکننده ها هارمونیک قابل ملاحظهای در شبکة قدرت به وجود میآورند.
– استفاده از سیستم های الکترونیک قدرت در سیستم حمل و نقل برقی مانند اتوبوس برقی و متروها باعث میشود سطوح زیادی از هارمونیک به سیستم توزیع تزریق شود.
– بارهای غیرخطی مانند کوره های قوس الکتریکی که در صنایع ذوب آهن استفاده می شود از عوامل تولید هارمونیک در مقیاس بزرگ میباشند.
