Harmonics/ هارمونیکها:

در سال های اخیر تعداد بارهای غیرخطی متصل به شبکه برق افزایش زیادی داشته است: رایانه، دستگاه فکس، لامپ های تخلیه ای، کوره قوس الکتریکی، شارژر باتری، منابع تغذیه اضطراری، منابع تغذیه الکترونیکی و غیره.
استفاده روزافزون از چنین تجهیزاتی و استفاده از وسایل الکترونیکی برای تقریباً تمام بارهای الکتریکی شروع به تأثیرات نگران کننده ای بر سیستم تأمین برق می کند. یک بار غیر خطی جریان قابل توجهی را از شبکه می کشد، اما این جریان منحرف شده و می تواند به هارمونیک ها تجزیه شود. جریان های هارمونیک با ایجاد تنش های دی الکتریک، حرارتی و/یا مکانیکی جدید تقریباً بر تمام اجزای سیستم الکتریکی تأثیرات منفی دارند.

هارمونیک ها چیست؟
از شبکه الکتریکی، یک بار غیر خطی جریان اعوجاجی را می کشد که شکل ولتاژ سینوسی را تغییر می دهد. بارهای غیر خطی جریان های هارمونیک تولید می کنند که از بار به سمت منبع تغذیه جریان می یابد و مسیری را با کمترین امپدانس دنبال می کند.

جریان‌های هارمونیک جریان‌هایی هستند که فرکانس آن‌ها مضربی صحیح از منبع (منبع تغذیه اصلی) است. قرار گرفتن جریان های هارمونیک بر جریان اصلی باعث ایجاد شکل موج های غیر سینوسی مرتبط با بارهای غیر خطی می شود.

منحنی روبرو سیگنال اصلی را با فرکانس 50 هرتز به همراه هارمونیک مرتبه دوم آن در 100 هرتز نشان می دهد. بنابراین فرکانس هارمونیک رتبه 3، سه برابر فرکانس اصلی خواهد بود، یعنی 150 هرتز.

ترتیب زوج یا فرد:
هارمونیک ها با ترتیبشان متمایز می شوند که ممکن است زوج یا فرد باشند. هارمونیک های مرتبه زوج (2، 4، 6، 8...) که اغلب در محیط های صنعتی ناچیز هستند، به دلیل تقارن سیگنال یکدیگر را خنثی می کنند و این دسته از هارمونیکها فقط در حضور یک جزء DC رخ می دهند.
هارمونیک های مرتبه فرد (3، 5، 7، 9...) که اغلب در شبکه الکتریکی با آنها مواجه هستیم. هارمونیک های بالاتر از مرتبه 25 معمولا ناچیز و قابل اغماض هستند.

در تصویر زیر، منحنی سبز با مجموع هارمونیک های موجود مطابقت دارد. منحنی قرمز یک شکل موج ولتاژ شبکه تحریف شده را نشان می دهد که اثر هارمونیکها بر روی آن تنها زمانی به وضوح قابل مشاهده است که سیگنال هارمونیک به دامنه های بالا برسد و منجر به افت ولتاژ شود. با استفاده از تجزیه سری فوریه می توان یک نمایش طیفی از هارمونیک ها را بدست آورد.
طیف هارمونیکی نمایش داده شده زیر، تمام هارمونیک ها را از مرتبه 1 تا 25 نشان می دهد.

علائم و پیامدهای هارمونیک:
وجود هارمونیک باعث اختلال در بارهای دیگر متصل به پایانه های یک منبع ولتاژ می شود، حتی زمانی که سایر بارها خطی هستند. در واقع، امکان تامین ولتاژ مطابق با خروجی منابع ولتاژ برای سایر بارها دیگر امکان پذیر نیست.
سایر پیامدهای احتمالی عبارتند از:

  • گرمایش هادی نول: جریان هایی با هارمونیک های سه گانه ( مرتبه سوم و مضرب 3) در هادی نول با هم جمع می شوند که منجر به تولید جریان در هادی نول می شود که اغلب 120 تا 130 درصد جریان های های فاز هستند.
  • قطع نابهنگام فیور اصلی به دلیل جریان بیش از حد
  • قطع نابهنگام RCD ها به دلیل فرکانس هارمونیک ها، مرتبط با ظرفیت های سرگردان شبکه.
  • مقادیر جریان RMS بالاتر از مقادیر مورد نیاز برای تامین انرژی مورد نیاز بار.
  • گرم شدن بیش از حد تاسیسات (ترانسفورماتورها، کابل ها و ...) به دلیل اثر پوستی
  • تشدید ولتاژ در سیستمی متشکل از خازن هایی که برای افزایش ضریب قدرت جابجایی طراحی شده اند.


چگونه متوجه وجود هارمونیک شویم؟
جریان های هارمونیک که از طریق امپدانس ها در سیستم الکتریکی عبور می کنند، باعث افت ولتاژ هارمونیکی می شوند که به عنوان اعوجاج هارمونیک ولتاژ شناخته میشوند. یکی از راه حل های تشخیص وجود هارمونیک ها، محاسبه THD (اعوجاج هارمونیک کل) است. دو نوع THD وجود دارد: THD ولتاژ (در منبع رخ می دهد) و THD جریان (نشات گرفته از بارها). وقتی THD برابر با صفر باشد، می توان نتیجه گرفت که هیچ هارمونیکی در شبکه وجود ندارد.
مقدار THD مربوط به نسبت بین مقدار واقعی ریشه میانگین مربع هارمونیک سیگنال (U یا I ) و مقدار ریشه میانگین مربع آن در فرکانس اصلی است (Irms1 در مثال زیر).

به عنوان مثال، برای یک هارمونیک مرتبه N، نرخ اعوجاج جریان مجزا در هر هارمونیک را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

 

برای پی بردن به اعوجاج کلی یک سیگنال، باید تمام هارمونیک های موجود را در نظر بگیرید. 2 روش اندازه گیری وجود دارد: THDf (اعوجاج هارمونیک کل نشات گرفته از منبع) و THDr  (اعوجاج هارمونیک کل نشات گرفته از مقدار TRMS شکل موج).
از معادلات زیر برای تعریف این دو مقدار THD استفاده می شود:


 2 فرمول را می توان به جای هم استفاده کرد. تنها محدودیت این است که تنها از یکی از این فرمولها باید برای کل مدت اندازه گیری استفاده شود.
یکی از ویژگی های شناسایی سیگنال تحریف شده، ضریب بار  آن(FC) یا Crest Factor  است. برای یک سیگنال سینوسی تحریف نشده، ضریب بار برابر است با:
هنگامی که جریان تحریف می شود، ضریب بار بالاتر از این مقدار است.


نتیجه:
هارمونیک های جریانی را نمی توان حذف کرد: آنها توسط بار یا مصرف کننده تولید می شوند!
بنابراین آنها باید در منطقه ای تا حد امکان نزدیک به بارهای آلاینده محدود شوند تا از رسیدن آنها به شبکه کلی جلوگیری شود. روش های اصلی مورد استفاده شامل نصب یک سیستم فیلتر یا ایزوله (ترانسفورماتور) است.
این روش ها کاهش کیفیت انرژی (عدم کفایت ولتاژ منبع) و سایر اثرات مضر را محدود می کند.
هنگامی که هارمونیک ها "تحت کنترل" قرار می گیرند، تلفات توان مربوطه ناپدید می شوند. تمام توان تامین شده توسط شبکه برای سایر بارها و مصرف کننده ها قابل استفاده است.
بنابراین برق تامین شده توسط شبکه بهینه می شود و در نتیجه هزینه انرژی کاهش می یابد.

 

  • استاندارد IEC 61000-4-7 روش های اندازه گیری هارمونیک ها را تعریف می کند.
  • استاندارد EN 50160 تمام پارامترهای مورد آزمایش را برای تعریف کیفیت توزیع شبکه الکتریکی، به ویژه از نظر اختلالات الکتریکی، تعریف می کند.