بلاگ
مقدمهای بر هارمونیکها و کیفیت توان الکتریکی
فهرست
مقدمه
این مقاله به بررسی اساسی هارمونیکها در مهندسی برق میپردازد و اهمیت آنها را در سیستمهای توزیع برق تبیین میکند.
هارمونیکها به عنوان مؤلفههای جریان یا ولتاژ شناخته میشوند که در فرکانسهایی قرار دارند که مضربهای صحیح فرکانس اصلی هستند. به عنوان مثال، اگر منبع تغذیه، برق متناوب ۶۰ هرتز باشد، اولین هارمونیک همین ۶۰ هرتز است. سایر مضربهای هارمونیک اصلی شامل هارمونیک دوم (۱۲۰ هرتز)، سوم (۱۸۰ هرتز)، چهارم (۲۴۰ هرتز) و الی آخر میباشد. زمانی که این هارمونیکها در یک مدار فعال شوند، شکل موج ایجاد شده نتیجه جمع فرکانس اصلی و هارمونیکهای بالاتر خواهد بود. در نتیجه، شکل موج نهایی دچار تحریف میشود.
توجه:
هارمونیکهای با فرکانس بالا میتوانند عمر مفید تجهیزات الکتریکی را کاهش داده یا حتی باعث خرابی آنها شوند.
طراحی پایهای اکثر تجهیزات توزیع الکتریکی معمولاً فرض میکند که شکل موجهای مربوط به جریان و ولتاژ سینوسی خواهند بود. با این حال، در سیستمهای توزیع برق، انواع مختلفی از مؤلفههای غیرخطی وجود دارند که موجب میشوند جریان نسبت به ولتاژ منبع نامتناسب باشد. این امر منجر به تولید شکل موجهای غیرسینوسی و مؤلفههای هارمونیک میگردد. به عنوان مثال، تجهیزاتی که تنها در بخشی از چرخه به شکل پالس جریان کشی میکنند، معمولاً هارمونیکهای فرکانسی ایجاد مینمایند.
آگاهی از وجود هارمونیکها در یک خط برق برای اجرای صحیح هر سیستم توزیع برق از اهمیت بالایی برخوردار است. در زمان ارزیابی کیفیت توان، ضروری است که قدرت ورودی، انواع بارها (خطی و غیرخطی) و تعداد بارها و تجهیزات موجود در سیستم توزیع به دقت مورد بررسی قرار گیرند. با استفاده از یک متر کیفیت توان، میتوان مقدار هارمونیکهای ولتاژ و جریان در یک خط را اندازهگیری کرد. اطلاعات مربوط به هر هارمونیک و دادههای عددی مربوطه به همراه طیف فرکانس، به صورت گرافیکی توسط متر کیفیت توان نمایش داده میشود.
هارمونیکهای فرد و زوج
هارمونیکهای فرد، مضربهای فرد (۳، ۵، ۷ و غیره) از فرکانس اصلی هستند و میتوانند تأثیر قابل توجهی بر یکدیگر بگذارند. بارهایی که این هارمونیکها را کشش میکنند، همراه با اتلافات مقاومت (I2R) و اتلافات جریان گردابی در ترانسفورماتورها مواجه میشوند. در صورتی که هارمونیکها به مقدار قابل توجهی برسند، نیاز است که بار ترانسفورماتور کاهش یابد تا از گرم شدن بیش از حد جلوگیری شود.
از سوی دیگر، هارمونیکهای زوج، مضربهای زوج (۲، ۴، ۶ و غیره) از فرکانس اصلی هستند. این هارمونیکها معمولاً در مقایسه با هارمونیکهای فرد چندان قابل توجه نیستند، زیرا بیشتر بارهای غیرخطی سیستمهای برق هارمونیکهای فرد را تولید میکنند و هارمونیکهای زوج به طور معمول یکدیگر را لغو مینمایند. وجود هارمونیکهای زوج میتواند به عنوان یک ابزار عیبیابی مفید باشد؛ چرا که این هارمونیکها معمولاً نشان دهنده آن هستند که ممکن است یک جریان DC در سیمپیچ ثانویه ترانسفورماتور وجود داشته باشد. جابجایی DC معمولاً ناشی از یک راستای نیمموج به دلیل یک یکسوساز ناقص است.
در حالات نیمه متناوب، وجود یک جابجایی DC میتواند باعث اشباع ترانسفورماتور شده و جریانهای بسیار بالایی را ایجاد کند که در نتیجه ممکن است منجر به سوختن اولیه گردد. هسته ترانسفورماتور به دلیل این مسائل ممکن است به شدت بلرزید و صدای بلندی تولید کند. به طور کلی، جابجایی DC بیش از ۱% از جریان نامی میتواند مشکلات جدی را به وجود آورد.
هارمونیکهای سهگانه
هارمونیکهای سهگانه (triplens) از مضربهای فرد هارمونیک سوم (۳، ۹، ۱۵ و غیره) محسوب میشوند و فقط بارهای تکفاز هستند که این هارمونیکها را تولید میکنند. بارهای سهفاز به تولید هارمونیکهای سهگانه نمیپردازند. این هارمونیکها میتوانند مشکلاتی نظیر بارگیری بیشتر هادیهای نول، تداخل تلفنی و گرمایش ترانسفورماتور ایجاد نمایند. برای کاهش هارمونیکهای سهگانه، انواع خاصی از ترانسفورماتورها به کار میروند.
بارهای الکترونیکی تکفاز متصل به فاز به نول، مانند مدارهای اداری ۱۲۰ ولتی یا مدارهای روشنایی ۲۷۷ ولتی، هارمونیک سوم را به همراه مقادیر کمتری از هارمونیکهای فرد بالاتر تولید میکنند.
در مورد بارهای الکترونیکی سهفاز متصل به فاز به فاز، نظیر منبعهای تغذیه ۲۰۸ ولتی یا درایوهای موتور با سرعت متغیر ۴۸۰ ولت، اگرچه این بارها هارمونیکهای سهگانه تولید نمیکنند، اما سطوح قابل توجهی از سایر هارمونیکهای بالاتر را به وجود میآورند.
هارمونیک سوم
بارهای الکترونیکی تکفاز علاوه بر مقادیر کمتری از هارمونیکهای فرد بالاتر، نیز هارمونیک سوم را تولید مینمایند. هارمونیکهای سهگانه تنها بر فراوانی جریان نول اثر میگذارند. هارمونیکهای نهم، پانزدهم و بالاتر به مقدار نسبتاً کمتری وجود دارند و تأثیر کمی بر جریان نول میگذارند. بنابراین، تأثیر قابلذکری بر روی جریان واقعی rms نول نخواهند داشت.
با توجه به اینکه هارمونیکهای بالاتر به طور نسبی کوچک هستند، هارمونیک سوم به عنوان درصدی از کل جریان rms، که سه برابر میشود، تقریباً تخمین مناسبی از درصد جریان نول است که ناشی از سه بار معادل تکفاز غیرخطی است. لذا، وقتی که هارمونیک سوم به ۳۳۱⁄۳% از جریان فاز اصلی میرسد، جریان نول تقریباً ۱۰۰% جریان فاز اصلی خواهد بود.
دنباله هارمونیک
دنباله هارمونیک، گردش فازور هارمونیک نسبت به فرکانس اصلی (۶۰ هرتز) را توصیف میکند. ترتیبی که در آن شکل موجها از هر فاز (A، B و C) صفر را قطع میکنند، به نام گردش فازور شناخته میشود. این گردش با استفاده از خطوط و پیکانها به سادگی نمایش داده میشود تا روابط فازی را به راحتی متوجه شویم. دنباله فاز هارمونیک از اهمیت بسیاری برخوردار است زیرا تأثیر هارمونیکها بر روی عملکرد بارها و مؤلفههای مختلف مانند هادیها در یک سیستم توزیع برق را تعیین میکند.
دنباله مثبت
هارمونیکهای دنباله مثبت (۱، ۴، ۷ و غیره) همان دنباله فازی را دارند که هارمونیک اصلی داراست. این هارمونیکها میتوانند گرمای اضافی در ترانسفورماتورها، هادیها، کلیدهای مداری و پانلها در یک سیستم توزیع برق ایجاد کنند. یک هارمونیک دنباله مثبت در همان جهتی حرکت میکند که هارمونیک اصلی در یک موتور القایی چرخش دارد.
دنباله منفی
از طرفی، هارمونیکهای دنباله منفی (۲، ۵، ۸ و غیره) دارای دنباله فاز معکوس نسبت به هارمونیک اصلی هستند. مانند هارمونیکهای دنباله مثبت، این هارمونیکها نیز گرمای اضافی در مؤلفههای سیستم توزیع برق نظیر ترانسفورماتورها، هادیها، کلیدهای مداری و پانلها ایجاد میکنند. هارمونیک دنباله منفی در جهتی مخالف هارمونیک اصلی در یک موتور القایی میچرخد. اگرچه این چرخش معکوس به حدی نیست که موجب تغییر جهت موتور شود، اما باعث کاهش torque پیشرونده موتور میشود و در نتیجه، موجب کشیده شدن جریان بیشتری در موتور و گرمایش بیش از حد میگردد.
دنباله صفر
هارمونیکهای دنباله صفر (۳، ۶، ۹ و غیره) هیچگونه میدان چرخشی در هیچ جهتی تولید نمیکنند. با این وجود، این هارمونیکها میتوانند سبب گرم شدن مؤلفهها و سیستم شوند. هارمونیکهای دنباله صفر به آسانی لغو نمیشوند، اما ممکن است در هادی نول سیستمهای سهفاز، چهاررشتهای جمع شوند. تجهیزات تکفاز که از منابع تغذیه یکسوساز استفاده میکنند، همچون کامپیوترها، روشنایی فلورسنت با بالاستهای الکترونیکی و دیگر دستگاههای الکترونیکی متداول، به طور قابلتوجهی به جریان موجود در سیمهای نول کمک میکنند.
نویسنده: الکس با دارا بودن مدرک کارشناسی ارشد مهندسی برق با تأکید بر سیستمهای قدرت از دانشگاه ایالتی کالیفرنیا، سکرامنتو، ایالات متحده، با افتخار و تخصص در این زمینه فعالیت میکند. او یک کارشناس با تجربه در زمینه سیستمهای قدرت به شمار میرود که در حوزههای حفاظت سیستم، پایش منطقهای گسترده و پایداری سیستم تخصص دارد. هماکنون، او به عنوان مهندس ارشد برق در یکی از شرکتهای پیشرو در زمینه انتقال برق مشغول به کار است.
پرسشهای متداول
هارمونیک چیست؟
هارمونیک مؤلفهای از جریان یا ولتاژ است که در فرکانسی قرار دارد که مضرب صحیح فرکانس اصلی است.
چطور میتوان هارمونیکها را اندازهگیری کرد؟
میتوان از مترهای کیفیت توان برای اندازهگیری مقدار هارمونیکهای ولتاژ و جریان در یک خط استفاده کرد.
هارمونیکهای زوج چه تاثیری دارند؟
هارمونیکهای زوج معمولاً کوچک هستند و معمولاً به عنوان ابزار عیبیابی برای جلوگیری از وجود جریان DC در ترانسفورماتور استفاده میشوند.
چرا هارمونیکها مهم است؟
هارمونیکها میتوانند بر عملکرد و عمر تجهیزات الکتریکی تأثیر بگذارند و مهم است که در سیستمهای توزیع برق به آنها توجه شود.
منبع: powerquality.blog
