بارهای هارمونیک
هنگامیكه استفاده از مبدلهای الكترونیك قدرت در اواخر دهه 1970 معمول گردید، توجه بسیاری از مهندسین شركتهای برق درمورد توانایی پذیرش اعوجاج هارمونیكی توسط سیستمهای قدرت را برانگیخت . پیشبینیهای مأیوسكنندهای از سرنوشت سیستمهای قدرت درصورت اجازه استفاده ازاین تجهیزات انجام گرفت. درحالیكه بعضی ازاین نگرانیها احتمالاً بیش از حد قلمداد گردیدند، ولی بررسی مفهوم كیفیت برق مدیون این افراد بهدلیل پیگیری آنها درمورد این مسئله میباشد.
بروز هارمونیك در سیستمهای برق اولین پیامد عناصر غیرخطی در شبكه است. بهخاطر گسترش فزاینده استفاده از عناصر غیرخطی در سیستمهای برق، مانند راهاندازها (درایورهای تنظیم سرعت) و مبدلهای الكترونیكی قدرت، مقدار هارمونیك شكل موج جریان و ولتاژ بهطور چشمگیری افزایش یافته است و بنابراین اهمیت موضوع كاملاً مشخص است.
بررسی مسائل هارمونیكها منجر به تحقیقاتی گردید كه نتایج آن نقطهنظرات متعددی درمورد كیفیت برق بود. بهنظر برخی از محققین، اعوجاج هارمونیكی هنوز مهمترین مسئلـه كیفیت برق میباشد. مسائل هارمونیكی با بسیاری از قوانین معمولی طراحی سیستمهای قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلی مغایر است. بنابراین مهندس برق با پدیدههای ناآشنایی روبرو میشود كه نیاز به ابزار پیچیده و تجهیزات پیشرفته برای حل مشكلات و تجزیه و تحلیل آنها دارد. گرچه تحلیل مسائل هارمونیكی میتواند دشوار باشد، ولی خوشبختانه همه سیستم قدرت دارای مشكل هارمونیكی نیست و فقط درصد كمی از فیدرهای مربوط به سیستمهای توزیع تحتتأثیر عوامل ناشی از هارمونیكها قرار میگیرند. مشتركین برق در صورت وجود هارمونیكها مشكلات زیادتری از شركتهای برق را تحمل میكنند. مشتركین صنعتی كه از محركههای موتور با قابلیت تنظیم سرعت، كورههای قوس الكتریكی، كورههای القایی، یكسوكنندهها ، اینورترها، دستگاههای جوش و نظایر آن استفاده میكنند، نسبت به مسائل ناشی از اعوجاج هارمونیكی ضربهپذیرتر از بقیة مشتركین میباشند.
اعوجاج هارمونیكی یك پدیده جدید در سیستمهای قدرت به شمار نمیرود. نگرانی ناشی از اعوجاج در بسیاری از دورهها درسیستمهای قدرت الكتریكی جریان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوی منابع و مطالب تكنیكی دهههای قبل نشان میدهد كه مقالات مختلفی دررابطه با این موضوع انتشار یافته است. اولین منابع هارمونیكی شناختهشده، ترانسفورماتورها بودند و اولین مشكل نیز در سیستمهای تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپهای قوس الكتریك بهدلیل مؤلفههای هارمونیكی توجهات خاصی را برانگیخت ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدلهای الكترونیك قدرت در سالهای اخیر نبوده است.
خوشبختانه در طی این سال ها پژوهشگران متوجه شده اند كه اگر سیستم انتقال به نحو مناسبی طراحی گردد، بهنحوی كه بتواند مقدار توان مورد نیاز بارها را به راحتی تأمین نماید، احتمال ایجاد مشكل ناشی از هارمونیكها برای سیستم قدرت بسیار كم خواهدبود، گرچه این هارمونیكها میتوانند موجب مسائلی در سیستمهای مخابراتی شوند. اغلب در سیستمهای قدرت مشكلات زمانی بروز میكنند كه خازنهای موجود در سیستم باعث ایجاد تشدید دریك فركانس هارمونیكی گردند. دراین شرایط اغتشاشات و اعوجاجات، بسیار بیش از مقادیر معمول میگردند. امكان ایجاد این مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولی شرایط بدتر در سیستمهای صنعتی بهدلیل درجه زیادی از تشدید رخ میدهد.
علت ایجاد اعوجاج هارمونیكی
اعوجاج هارمونیكی در سیستمهای قدرت ناشی از عناصر غیرخطی میباشد. عنصر غیرخطی عنصری است كه جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نمیباشد افزایش چند درصدی ولتاژ ممكن است باعث شود كه جریان دوبرابر شده و نیز موج جریان شكل دیگری به خود بگیرد. این مورد ساده ای از منبع تولید اعوجاج در سیستم قدرت میباشد.
هر شكل موج اعوجاجی پریودیك را میتوان به صورت جمع موجهای سینوسی بیان نمود. یعنی وقتی كه شكل موج از یك سیكل به سیكل دیگر تغییر نكند، این موج را میتوان به صورت جمع امواج سینوسی خالص كه درآن فركانس هر موج سینوسی، مضرب صحیحی از فركانس اصلی موج اعوجاجی است نمایش داد. این موجهای سینوسی كه فركانس آنها ضریب صحیحی از فركانس اصلی میباشند، هارمونیكهای مؤلفه اصلی گویند. جمع این موجهای سینوسی به سری فوریه معروف است این مفهوم ریاضی اولین بار توسط فوریه ریاضیدان فرانسوی مورد توجه قرار گرفت.
مزایای فنی و اقتصادی كاهش هارمونیكها
اگرچه بحث تفصیلی درمورد خسارات هارمونیكها ، پیچیده است ولی میتوان در یك جمعبندی اجمالی مزایای كاهش هارمونیكها را بهشرح زیر بیان نمود :
1) كاهش تلفات تجهیزات الكتریكی و شبكه برقرسانی
2) آزادسازی ظرفیت تجهیزات شبكه مانند موتورهای الكتریكی و ترانسفورماتورها
3) افزایش طول عمر تجهیزات بهدلیل كاهش تلفات و كاهش درجه حرارت
4) كاهش احتمال رزونانس موازی و سری در شبكه
5) افزایش راندمان موتورهای الكتریكی
6) كاهش خطای عملكرد رلهها ، تجهیزات كنترلی و حفاطتی شبكه ناشی از تأثیرات هارمونیكها
7) كاهش خطای قرائت دستگاههای اندازهگیری و كنتورها و در نتیجه كاهش خطای مبالغ دریافتی از مشتركین
8) عملكرد بهتر تجهیزات شبكه و مشتركین از جمله ماشینهای الكتریكی بهدلیل كاهش اثر گشتاورهای مخالف بهواسطه برخی از هارمونیكها
9)بهبود رضایت مشتركین بهدلیل بهبود كیفیت توان
تجهیزات آسیبپذیر
موتورهای الكتریكی ازجمله وسایلی هستند كه درمعرض بیشترین اثر نامطلوب هارمونیكها قراردارند، هارمونیك حاصلاز ولتاژ تغذیه باعث تلفات بالاتر در موتورهای الكتریكی شده كه باعث كاهش ظرفیت نامی میشود. كاهش عمر و فرسوده شدن عایقبندی موتور بهخاطر افزایش دمای داخلی بالاتراز میزان نامی، از دیگر اثرات نامطلوب هارمونیكها در موتورهای الكتریكی است.
سیستم عایقبندی آسیبپذیرترین قسمت یك موتور الكتریكی درمقابل افزایش دمای حاصلاز هارمونیك است. تسریع در فرسایش، خطا و مشكلات عایقی و كاهش عمر معمولترین نشانههای مشاهده شده در سیستمهای عایقيِ درمعرض اضافه حرارت، میباشد.
منابع تولید هارمونیك
پیدایش عناصر نیمه هادی و المانهای غیرخطی نظیر دیود ، تریستور و ... و استفاده فراوان از آنها در شبكههای قدرت عامل جدیدی برای ایجاد هارمونیك در سیستمهای قدرت بهوجود آورد. كاربرد این عناصر را میتوان در تجهیزات و سیستمهای قدرت زیر دید:
- كورههای قوس الكتریكی و القایی
- یكسوكنندهها و مبدلهای الكترونیك قدرت
- تجهیزات مورد استفاده در كنترلكنندههای سرعت ماشینهای الكتریكی ( VSD)
- كاربرد SVC بعنوان ابزار مهمی دركنترل توان راكتیو
- بارهای غیرخطی شامل دستگاههای جوشكاری
- جریان مغناطیسی ترانسفورماتور
از سوی دیگر عوامل زیر را نیز میتوان به عنوان تولیدكننده هارمونیك در نظر گرفت:
- تولید شكل موج غیر سینوسی توسط ماشینهای سنكرون ناشی از وجود شیارها و عدم توزیع یكنواخت سیمپیچیهای استاتور
- توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی در ماشینهای سنكرون
همچنین صنایع زیر را میتوان از جمله عوامل تولید هارمونیك در شبكههای الكتریكی محسوب نمود:
- صنایع شامل مجتمعهای شیمیایی و پتروشیمی و نیز صنایع ذوب آلومینیم كه از یكسوكنندههای پرقدرت برای تولید برق DC مورد نیـاز انجام فرآیندهای شیمیـائی و ذوب آلومینیـم استفـاده میكنند. با توجـه به قـدرت بالا، این یكسـوكنندهها هارمونیك قابل ملاحظهای در شبكة قدرت به وجود میآورند.
- استفاده از سیستمهای الكترونیك قدرت در سیستم حمل و نقل برقی مانند اتوبوس برقی و متروها باعث میشود سطوح زیادی از هارمونیك به سیستم توزیع تزریق شود.
- بارهای غیرخطی مانند كورههای قوس الكتریكی كه در صنایع ذوبآهن استفاده میشود از عوامل تولید هارمونیك در مقیاس بزرگ میباشند.
بروز هارمونیك در سیستمهای برق اولین پیامد عناصر غیرخطی در شبكه است. بهخاطر گسترش فزاینده استفاده از عناصر غیرخطی در سیستمهای برق، مانند راهاندازها (درایورهای تنظیم سرعت) و مبدلهای الكترونیكی قدرت، مقدار هارمونیك شكل موج جریان و ولتاژ بهطور چشمگیری افزایش یافته است و بنابراین اهمیت موضوع كاملاً مشخص است.
بررسی مسائل هارمونیكها منجر به تحقیقاتی گردید كه نتایج آن نقطهنظرات متعددی درمورد كیفیت برق بود. بهنظر برخی از محققین، اعوجاج هارمونیكی هنوز مهمترین مسئلـه كیفیت برق میباشد. مسائل هارمونیكی با بسیاری از قوانین معمولی طراحی سیستمهای قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلی مغایر است. بنابراین مهندس برق با پدیدههای ناآشنایی روبرو میشود كه نیاز به ابزار پیچیده و تجهیزات پیشرفته برای حل مشكلات و تجزیه و تحلیل آنها دارد. گرچه تحلیل مسائل هارمونیكی میتواند دشوار باشد، ولی خوشبختانه همه سیستم قدرت دارای مشكل هارمونیكی نیست و فقط درصد كمی از فیدرهای مربوط به سیستمهای توزیع تحتتأثیر عوامل ناشی از هارمونیكها قرار میگیرند. مشتركین برق در صورت وجود هارمونیكها مشكلات زیادتری از شركتهای برق را تحمل میكنند. مشتركین صنعتی كه از محركههای موتور با قابلیت تنظیم سرعت، كورههای قوس الكتریكی، كورههای القایی، یكسوكنندهها ، اینورترها، دستگاههای جوش و نظایر آن استفاده میكنند، نسبت به مسائل ناشی از اعوجاج هارمونیكی ضربهپذیرتر از بقیة مشتركین میباشند.
اعوجاج هارمونیكی یك پدیده جدید در سیستمهای قدرت به شمار نمیرود. نگرانی ناشی از اعوجاج در بسیاری از دورهها درسیستمهای قدرت الكتریكی جریان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوی منابع و مطالب تكنیكی دهههای قبل نشان میدهد كه مقالات مختلفی دررابطه با این موضوع انتشار یافته است. اولین منابع هارمونیكی شناختهشده، ترانسفورماتورها بودند و اولین مشكل نیز در سیستمهای تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپهای قوس الكتریك بهدلیل مؤلفههای هارمونیكی توجهات خاصی را برانگیخت ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدلهای الكترونیك قدرت در سالهای اخیر نبوده است.
خوشبختانه در طی این سال ها پژوهشگران متوجه شده اند كه اگر سیستم انتقال به نحو مناسبی طراحی گردد، بهنحوی كه بتواند مقدار توان مورد نیاز بارها را به راحتی تأمین نماید، احتمال ایجاد مشكل ناشی از هارمونیكها برای سیستم قدرت بسیار كم خواهدبود، گرچه این هارمونیكها میتوانند موجب مسائلی در سیستمهای مخابراتی شوند. اغلب در سیستمهای قدرت مشكلات زمانی بروز میكنند كه خازنهای موجود در سیستم باعث ایجاد تشدید دریك فركانس هارمونیكی گردند. دراین شرایط اغتشاشات و اعوجاجات، بسیار بیش از مقادیر معمول میگردند. امكان ایجاد این مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولی شرایط بدتر در سیستمهای صنعتی بهدلیل درجه زیادی از تشدید رخ میدهد.
علت ایجاد اعوجاج هارمونیكی
اعوجاج هارمونیكی در سیستمهای قدرت ناشی از عناصر غیرخطی میباشد. عنصر غیرخطی عنصری است كه جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نمیباشد افزایش چند درصدی ولتاژ ممكن است باعث شود كه جریان دوبرابر شده و نیز موج جریان شكل دیگری به خود بگیرد. این مورد ساده ای از منبع تولید اعوجاج در سیستم قدرت میباشد.
هر شكل موج اعوجاجی پریودیك را میتوان به صورت جمع موجهای سینوسی بیان نمود. یعنی وقتی كه شكل موج از یك سیكل به سیكل دیگر تغییر نكند، این موج را میتوان به صورت جمع امواج سینوسی خالص كه درآن فركانس هر موج سینوسی، مضرب صحیحی از فركانس اصلی موج اعوجاجی است نمایش داد. این موجهای سینوسی كه فركانس آنها ضریب صحیحی از فركانس اصلی میباشند، هارمونیكهای مؤلفه اصلی گویند. جمع این موجهای سینوسی به سری فوریه معروف است این مفهوم ریاضی اولین بار توسط فوریه ریاضیدان فرانسوی مورد توجه قرار گرفت.
مزایای فنی و اقتصادی كاهش هارمونیكها
اگرچه بحث تفصیلی درمورد خسارات هارمونیكها ، پیچیده است ولی میتوان در یك جمعبندی اجمالی مزایای كاهش هارمونیكها را بهشرح زیر بیان نمود :
1) كاهش تلفات تجهیزات الكتریكی و شبكه برقرسانی
2) آزادسازی ظرفیت تجهیزات شبكه مانند موتورهای الكتریكی و ترانسفورماتورها
3) افزایش طول عمر تجهیزات بهدلیل كاهش تلفات و كاهش درجه حرارت
4) كاهش احتمال رزونانس موازی و سری در شبكه
5) افزایش راندمان موتورهای الكتریكی
6) كاهش خطای عملكرد رلهها ، تجهیزات كنترلی و حفاطتی شبكه ناشی از تأثیرات هارمونیكها
7) كاهش خطای قرائت دستگاههای اندازهگیری و كنتورها و در نتیجه كاهش خطای مبالغ دریافتی از مشتركین
8) عملكرد بهتر تجهیزات شبكه و مشتركین از جمله ماشینهای الكتریكی بهدلیل كاهش اثر گشتاورهای مخالف بهواسطه برخی از هارمونیكها
9)بهبود رضایت مشتركین بهدلیل بهبود كیفیت توان
تجهیزات آسیبپذیر
موتورهای الكتریكی ازجمله وسایلی هستند كه درمعرض بیشترین اثر نامطلوب هارمونیكها قراردارند، هارمونیك حاصلاز ولتاژ تغذیه باعث تلفات بالاتر در موتورهای الكتریكی شده كه باعث كاهش ظرفیت نامی میشود. كاهش عمر و فرسوده شدن عایقبندی موتور بهخاطر افزایش دمای داخلی بالاتراز میزان نامی، از دیگر اثرات نامطلوب هارمونیكها در موتورهای الكتریكی است.
سیستم عایقبندی آسیبپذیرترین قسمت یك موتور الكتریكی درمقابل افزایش دمای حاصلاز هارمونیك است. تسریع در فرسایش، خطا و مشكلات عایقی و كاهش عمر معمولترین نشانههای مشاهده شده در سیستمهای عایقيِ درمعرض اضافه حرارت، میباشد.
منابع تولید هارمونیك
پیدایش عناصر نیمه هادی و المانهای غیرخطی نظیر دیود ، تریستور و ... و استفاده فراوان از آنها در شبكههای قدرت عامل جدیدی برای ایجاد هارمونیك در سیستمهای قدرت بهوجود آورد. كاربرد این عناصر را میتوان در تجهیزات و سیستمهای قدرت زیر دید:
- كورههای قوس الكتریكی و القایی
- یكسوكنندهها و مبدلهای الكترونیك قدرت
- تجهیزات مورد استفاده در كنترلكنندههای سرعت ماشینهای الكتریكی ( VSD)
- كاربرد SVC بعنوان ابزار مهمی دركنترل توان راكتیو
- بارهای غیرخطی شامل دستگاههای جوشكاری
- جریان مغناطیسی ترانسفورماتور
از سوی دیگر عوامل زیر را نیز میتوان به عنوان تولیدكننده هارمونیك در نظر گرفت:
- تولید شكل موج غیر سینوسی توسط ماشینهای سنكرون ناشی از وجود شیارها و عدم توزیع یكنواخت سیمپیچیهای استاتور
- توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی در ماشینهای سنكرون
همچنین صنایع زیر را میتوان از جمله عوامل تولید هارمونیك در شبكههای الكتریكی محسوب نمود:
- صنایع شامل مجتمعهای شیمیایی و پتروشیمی و نیز صنایع ذوب آلومینیم كه از یكسوكنندههای پرقدرت برای تولید برق DC مورد نیـاز انجام فرآیندهای شیمیـائی و ذوب آلومینیـم استفـاده میكنند. با توجـه به قـدرت بالا، این یكسـوكنندهها هارمونیك قابل ملاحظهای در شبكة قدرت به وجود میآورند.
- استفاده از سیستمهای الكترونیك قدرت در سیستم حمل و نقل برقی مانند اتوبوس برقی و متروها باعث میشود سطوح زیادی از هارمونیك به سیستم توزیع تزریق شود.
- بارهای غیرخطی مانند كورههای قوس الكتریكی كه در صنایع ذوبآهن استفاده میشود از عوامل تولید هارمونیك در مقیاس بزرگ میباشند.