بارهای ایجاد کننده هارمونیک

عامل ایجاد هارمونیک در سیستم‌های برق وجود عناصر غیرخطی در شبکه است. به دلیل افزایش استفاده ازعناصر غیرخطی درسیستم‌های برق، مانند راه انداز‌ها (درایور‌های تنظیم سرعت) و مبدل‌های الکترونیکی قدرت مقدارهارمونیک شکل موج جریان و ولتاژ گسترش یافته است
مشکلاتی که در اثر ایجاد هارمونیک در شبکه ایجاد می شود برای مصرف کننده‌های برق در مقایسه با تولید کننده‌های برق بیشتر است. آن دسته از بار‌های صنعتی که از محرکه‌های موتور با قابلیت تنظیم سرعت، کوره‌های قوس الکتریکی، کوره‌های القایی، یکسوکننده‌ها، اینورترها، فرستنده‌های تلویزیونی استفاده می‌کنند، نسبت به مشکلات حاصل از اعوجاج هارمونیکی نسبت به بقیة مصرف کننده‌ها آسیب پذیرترهستند.

در سیستم‌های قدرت معمولا مشکلات زمانی به وجود می آیند که خازن‌های موجود در سیستم سبب می شوند دریک فرکانس هارمونیکی تشدید ایجاد شود. دراین شرایط اغتشاشات و اعوجاجها،از مقادیر معمول بیشتر می شوند .این مشکلات در مراکز کوچک مصرف برق رخ میدهند ولی در سیستم‌های صنعتی بزرگ به دلیل حساسیت بالا این مشکلات شدیدتر هستند.

علت ایجاد اعوجاج هارمونیکی

اعوجاج هارمونیکی در سیستم‌های قدرت ناشی از عناصر غیرخطی است. عنصر غیرخطی عنصری است که جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نیست افزایش چند درصدی ولتاژ ممکن است باعث شود که جریان دوبرابر شده و نیز موج جریان شکل دیگری به خود بگیرد. این مورد ساده‌ای از منبع تولید اعوجاج در سیستم قدرت است.

شکل موج های اعوجاجی دوره ای را می‌توان به صورت جمع موج‌های سینوسی نشان داد. در واقع زمانی که شکل موج از یک سیکل به سیکل دیگر دچار تغییر نشود، 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 موج‌های سینوسی را که دارای فرکانسی با ضریب صحیحی از فرکانس اصلی هستند هارمونیک‌های مؤلفه اصلی می نامند. جمع این موج‌های سینوسی به سری فوریه معروف است. این مفهوم ریاضی نخستین بار توسط فوریه ریاضیدان فرانسوی کشف شد.

تجهیزات آسیب پذیر

موتور‌های الکتریکی بسیار در معرض اثر مخرب هارمونیک‌ها قراردارند. هارمونیک ولتاژ تغذیه سبب ایجاد تلفات بالاتر در موتور‌های الکتریکی می شود و ظرفیت نامی موتور را کاهش می دهد. همچنین از جمله آسیب های هارمونیک ها می توان به کاهش عمر و فرسایش عایق بندی موتور به علت افزایش دمای داخلی بالاتراز میزان نامی، در موتور‌های الکتریکی اشاره کرد. سیستم عایق بندی آسیب پذیرترین قسمت یک موتور الکتریکی درمقابل افزایش دمای حاصل از هارمونیک است. افزایش سرعت فرسایش، خطا و مشکلات عایقی و کاهش عمر از جمله بیشترین نشانه‌های مشاهده شده در سیستم‌های عایقیِ درمعرض افزایش حرارت، می‌باشد.

منابع تولید هارمونیک

کشف و گسترش عناصر نیمه هادی و المان‌های غیرخطی مانند دیود، تریستور و … و استفادة فراوان از آن‌ها در شبکه‌های قدرت، از عوامل اصلی ایجاد هارمونیک در سیستم‌های قدرت است. کاربرد این عناصر را می‌توان در تجهیزات و سیستم‌های قدرت زیر دید:

– کوره‌های قوس الکتریکی و القایی

– یکسوکننده‌ها و مبدل‌های الکترونیک قدرت

وسایلی که درکنترل کننده‌های سرعت ماشین‌های الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند.

(VSD) به عنوان ابزار مهمی SVC – کاربرد

درکنترل توان راکتیو

– بار‌های غیرخطی شامل دستگاه‌های جوشکاری

– جریان مغناطیسی ترانسفورماتوراز سوی دیگر عوامل زیر را نیز می‌توان بهعنوان تولیدکنندة هارمونیک در نظر گرفت:

تولید شکل موج غیر سینوسی توسط ماشین‌های سنکرون ناشی از وجود شیار‌ها وعدم توزیع یکنواخت سیم پیچی‌های استاتور

– توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی درماشین‌های سنکرون همچنین صنایع زیر را می‌توان از جمله عوامل تولید هارمونیک در شبکه‌های الکتریکی به حساب آورد:

– سیستم‌های هوا رسانی

– مبدل‌های الکترونیک قدرت سبب تزریق سطوح زیادی از هارمونیک به سیستم توزیع می شوند

– از جمله عواملی که سبب ایجاد هارمونیک های بزرگ در سیستم های قدرت می شوند می توان به بار‌های غیرخطی مانند کوره‌های قوس m. الکتریکی که در صنایع ذوب آهن استفاده می‌شود اشاره نمود.

بارهای هارمونیک زا

مزایای فنی و اقتصادی کاهش هارمونیک‌ها

-۱ کاهش تلفات تجهیزات الکتریکی و شبکه برق رسانی

-۲ آزادسازی ظرفیت تجهیزات شبکه مانند موتور‌های الکتریکی و ترانسفورماتور‌ها

-۳ افزایش طول عمر تجهیزات به دلیل کاهش تلفات و کاهش درجه حرارت

-۴ کاهش احتمال رزونانس موازی و سری در شبکه

-۵ افزایش راندمان موتور‌های الکتریکی و مبدل‌های الکترونیکی و منابع تغذیه سوئیچینگ

-۶ کاهش خطای عملکرد رله‌ها، تجهیزات کنترلی و حفاطتی شبکه ناشی از تأثیر هارمونیک‌ها

خطای خواندن دستگاه‌های اندازه گیری و کنتور‌ها وکاهش یافته و در نتیجه کاهش طراحی تجهیزات حفاظتی و کنترلی

-۸ اثر گشتاورهای مخالفی که به علت وجود برخی از هارمونیک ها به وجود آمده است کاهش یافته و عملکرد بهتر تجهیزات شبکه و مشترکان از جمله ماشین‌های الکتریکی را سبب می شود.

-۹ به علت افزایش کیفیت توان تولیدی شبکه های قدرت رضایت مصرف کننده‌ها افزایش می یابد.