هارمونیک

به دلیل توسعه شبکه قدرت و استفاده گسترده از الکترونیک قدرت در تجهیزات، سطوح اعوجاج هارمونیکی در سال های اخیر افزایش یافته است. اعوجاج هارمونیکی یک مشکل رایج در نیروگاه ها و ادوات مرتبط با آن است. به طور معمول مبدل های الکتریکی – استاتیکی سبب اعوجاج هارمونیکی می شوند که ازجمله آن ها می توان به درایو سرعت متغیر موتور ها، سافت استارتر ها، یکسو کننده ها و سیستم های UPS اشاره کرد. هارمونیک ها باعث می شوند کابل ها و ترانسفورماتور ها در دمای بالاتری از حد مجاز کار کنند و سبب تریپ بریکر ها شوند و رایانه ها و تجهیزات ارتباطی به درستی عمل نکنند.

در سیستم‌های قدرت، بارهای غیرخطی مانند انواع یکسوسازها، کوره‌های قوس و کنترل دور موتورها، روزبه‌روز درحال افزایش‌اند. تمامی این بارها با توجه به مشخصات و طرح داخلی، مرتبه‌های مختلفی از هارمونیک جریان را با شدت‌های مختلف به شبکه اعمال می‌کنند که با عبور از امپدانس شبکه، هارمونیکی‌شدن ولتاژ شبکه را موجب می‌شوند.

تأثیرات مخرب اغتشاشات هارمونیکی

تأثیرات مخرب اغتشاشات هارمونیکی به دو بخش کلی از دیدگاه شبکه و دیدگاه مشترکین تقسیم می‌شوند. از دیدگاه شبکه، این اغتشاشات به کاهش طول عمر تجهیزات، افزایش تلفات، اشغال ظرفیت خطوط، رزونانس هارمونیکی، تخریب خازن‌ها، تأثیر بر عملکرد رله‌ها و شاخص‌های قابلیت اطمینان منجر می‌شود.

این آلودگی‌ها از دیدگاه مشترکین به عملکرد ناصحیح تجهیزات حساس، کاهش طول عمر موتورها و ترانسفورماتورها منجر می‌شود. همچنین، اثر تجمعی هارمونیک‌های جریان مشترکین بر هارمونیک ولتاژ شبکه سبب می‌شود در اثر وجود هارمونیک جریان مجاز (از دیدگاه استاندارد)، امکان بروز هارمونیک ولتاژ غیرمجاز وجود داشته باشد.

بدیهی است مشترکین با بارهای غیرخطی، ایجادکنندة آلودگی‌اند؛ بنابراین، مسئول رفع مشکل نیز هستند. از طرف دیگر، مدیر شبکه باید ضمن حفظ کیفیت برق، نیاز مشترکین مختلف را پاسخگو باشد و هزینه‌های ناشی از هارمونیک را به شیوه‌ای عادلانه از مشترکین آلوده‌کننده اخذ کند. مرحلة نخست برای دستیابی به این هدف، تعیین سهم مشترکین مختلف و ایجاد سازوکار مناسب برای بهبود کیفیت توان است.

هارمونیک‌ها

هارمونیک‌ها، ولتاژها یا جریان‌هایی هستند که در فرکانسی کار می‌کنند که یک ضریب (عدد طبیعی) از فرکانس پایه است. مثلاً برای یک شکل موج پایه 50Hz، می‌توان به فرکانس هارمونیک دوم  Hz 100 (2×50Hz)، فرکانس هارمونیک سوم Hz 150 (3×50Hz)، فرکانس هارمونیک پنجم Hz 250 (5×50Hz) و… اشاره کرد. به عبارت دیگر، می‌توان گفت فرکانس هارمونیک‌ها ضرایبی از فرکانس پایه است و می‌توان آن‌ها را با ۴f، 3f، ۲f و… نشان داد.

استاندارد IEC61000-3-6

استاندارد IEC61000-3-6 دستورالعمل هايي ارائه ميدهد كه با استفاده از آن ها مي توان در زمان تقاضاي انشعاب، محاسبات سهم هارمونيكي را براساس استراتژي هاي مختلف انجام داده و سهم هارمونيكي مجاز به تقاضيان اعلام گردد، تا طراحي و خريد تجهيزات بر اين اساس انجام گرفته و در قراردادهاي فروش انشعاب، ميزان مجاز سهم هارمونيكي لحاظ گردد (جدول 1).

 

با افزايش بارهاي غيرخطي در شبكه، سطوح هارمونيكي در سيستم قدرت افزايش پيدا كردهاست. منابع اصلي هارمونيكهاي سيستم قدرت شامل ادوات الكترونيك قدرت، عملكردهاي سوئيچزني و بارهاي غيرخطي ديگر ميباشد. كاربرد اين ادوات در سيستمهاي قدرت باعث اعوجاج جريانهاي موجود در شبكه ميشود حتي در جاهايي كه با منابع ولتاژ سينوسي تغذيه ميشوند.

جريانهاي اعوجاج يافته با جاري شدن در شبكه سبب اعوجاج ولتاژ باسها ميشوند و بنابراين كيفيت توان در سيستمهاي توزيع با خطر روبرو مي شود.اين سطوح اغتشاش در صورتي كه حدود خاصي را رعايت نكنند، مشكلاتي را براي بارهايي مانند موتورهاي آسنكرون، ماشينهاي سنكرون، ترانسفورمرها، خازنها و دستگاههاي حساس الكترونيكي ايجاد ميكنند. جريان هاي هارمونيكي تزريقي مي تواند بر روي رنج وسيعي از تجهيزات سيستم قدرت مانند ترانسها و موتورها تاثير بگذارند و باعث تلفات اضافي شوند. هارمونيكها همچنين مي توانند با خطوط ارتباطي تداخل كنند و باعث بروز خطا در اندازه گيري قدرت شوند.

چه وسائلی هارمونیک تولید می کنند؟

• کوره های قوس الکتریکی و القایی
• يكسوكننده ها و مبدل هاي الكترونيك قدرت
• تجهيزات مورد استفاده در كنترل كننده هاي سرعت ماشين هاي الكتريكي
• بارهاي غيرخطي شامل دستگاه هاي جوشكاري
• موتورهای جریان مستقیم و موتور های القایی دارای کنترل سرعت
• منابع تغذیه سوییچینگ
• لامپ های کم مصرف و گازی
• کلیه وسایلی که در آن ها برق متناوب یکسو می شود

 

مضرات هارمونیک ها:

• به وجود آمدن گرمای بیش از حد به دلیل تلفات در هسته و درنتیجه خرابی ترانسفورماتور ها و موتورها
• اشغال ظرفیت سیستم (توان راکتیو بدلیل اختلاف فرکانس)
• تخریب شکل موج ولتاژ (انتشار آلودگی)
• افزایش جریان سیم نول به دلیل هارمونیک های سوم
• تشدید
• تداخل در ارتباطات مخابراتی
• اعوجاج در ولتاژ پایه
• اختلال در سیستم های پردازش الکترونیکی و داده ها
• کارکرد اشتباه سیستم کنترلی و رله های حفاظتی
• خطا عمل کردن فیوز حفاظتی به دلیل گرم شدن بیش ازحد
• و …

انواع هارمونیک ها:

• هارمونیک های زوج (شکل موج نامتقارن)
• هارمونیک های فرد (فراوان)
• هارمونیک های مضرب 3 (همفاز)

 

کاهش ضریب توان در اثر امواج هارمونیک:

گاهی افزایش میزان هارمونیک باعث کاهش ضریب توان می شود که این موضوع به دلیل وجود یک مؤلفه جدید توان در اثر جریان های هارمونیک، به نام توان اعوجاج هارمونیک (D) رخ می دهد. بنابراین ضریب توان جدید باید در نظر گرفته شود که از رابطه زیر به دست می آید.

• PF: ضریب توان
• S: توان ظاهری
• P: توان اکتیو
• Q: توان راکتیو
• D: توان اعوجاج هارمونیک

 

تأثیر هارمونیک بر موتورهای القایی:

از آنجايي كه بسياري از مصرف كنندههاي موجود در صنايع را موتورهاي القايي تشكيل مي دهند مطالعه تاثير هارمونيكها در سيستمهاي توزيع بر عملكرد اين تجهيزات از اهميت ويژهاي برخوردار است.

اغتشاش هارمونيكي ولتاژ در ترمينال هاي موتور باعث ايجاد شار هارمونيكي در داخل آن ميشود كه اگرچه ممكن است تاثير مهمي بر روي گشتاور موتور نداشته باشد، اما باعث ميشود كه موتور در فركانسي متفاوت با فركانس سنكرون روتور گردش نمايد، كه اساسا سبب توليد جريان-هايي با فركانس بالا در آن ميشود. اين اثر در موتورها شبيه به اثر جريان ترادف صفر در فركانس اصلي است.

فوران اضافي باعث افزايش تلفات، كاهش راندمان، ايجاد حرارت، لرزش و سروصدا ميشود.  وجود هارمونيكهاي جريان در استاتور يك ماشين سبب ايجاد mmf با سرعت هارمونيكي در فاصله هوايي مي گردد. این mmf در صورتي كه هارمونيك جريان، مؤلفه مثبت باشد هم جهت با mmf مؤلفه اصلي جريان و در صورتي كه مؤلفه منفي باشد در خلاف جهت mmf مؤلفه اصلي جريان ميباشد.

تأثیر هارمونیک در کلیدها:

كليدها وسايلي هستند كه در صورت لزوم، جريان مدار را قطع ميكنند. عملكرد صحيح آنها بسته به شكل موج جرياني دارد كه قرار است توسط كليد قطع شود. درنتيجه در صورت وجود هارمونيك در جريان، امكان دارد شكل موج آن بگونهاي باشد كه در حوالي جريان صفر، تغييرات جريان (مشتق آن) مقدار بزرگي شود، كه درنتيجه سبب بروز اشكال در قطع شدن جريان ميگردد.

در بعضي از دژنكتورهايي كه داراي سيمپيچ طولاني كننده قوس ميباشند، علت خرابي ناشي از عدم عملكرد موفق در شرايط هارمونيكي است، زيرا در هنگام عمل قطع، سيمپيچ مزبور سبب حركت قوس به مجراي خارجي ميشود كه در صورت وجود هارمونيك، امپدانس آنها افزايش مييابد، در نتيجه قوس ديرتر خاموش ميشود كه اين امر سبب آسيب رسيدن به دژنكتور ميگردد.

در حال حاضر استانداردي در خصوص سطح هارمونيكهاي مجاز در مورد كليدها وجود ندارد، ولي بنظر ميرسد وجود حدود 5 درصد هارمونيك، اثري در عملكرد كليدها نداشته باشد. موضوع مهم در كليدها، شكل موج در زمان صفر شدن جريان و همچنين ميزان تغييرات آن (مقدار مشتق آن) در اين زمان است.

تأثیر هارمونیک در فیوزها:

وجود هارمونيك در شبكه، باعث تغيير منحني مشخصه جريان-زمان فيوز و درنتيجه افزايش دماي آن ميشود. اين امر بخصوص در جريانهاي اتصال كوتاه پايين، بيشتر نمايان ميگردد. وجود هارمونيكها در اين شرايط مي  تواند سبب عملكرد سريعتر فيوز شده، كه اين امر ميتواند سبب بروز خطا در شبكه شود.

تأثیر هارمونیک بر بانك هاي خازنی:

از مهمترين تجهيزاتي كه تحت تاثير هارمونيك ولتاژ قرار مي گيرند، خازن هاي مورد استفاده در شبكه به منظورتصحيح ضريب قدرت مي باشند. يكي از مواردي كه باعث آسيب ديدن به خازن ها مي گردد، گرم شدن خازن ناشي از اضافه جريان آن مي باشد. اين مشكل بدليل وجود مقاومت داخلي خازت است . وجود مقاومت موازي معادل در ساختار يك خازن سبب ايجاد تلفات حرارتي و در نتيجه گرم شدن آن ميشود. افزايش حرارت در خازنها سبب ضعف قدرت عايقي و كاهش عمر خازن مي گردد. بالا بودن جريان هارمونيكي ورودي به خازن حتي در صورت كم بودن هارمونيك ولتاژ نيز امكانپذير است، زيرا امپدانس خازن با عكس فركانس در ارتباط مي باشد.

مشكل ديگري كه در عملكرد خازن ها مي تواند پديد آيد مشكل عايقي است كه ممكن است در اثر اضافه ولتاژ ناشي از هارمونيكها ايجاد شود. معمولا در سيستمهاي قدرت اغتشاشات ولتاژ در حالت دائمي به اندازه اي نيست كه سبب آسيب رساندن به خازنها گردد، مگر اينكه شرايط تشديد در سيستم پديد آيد كه اين امر در سيستم هاي برقرساني دور از انتظار نيست.

اضافه جریان در خازن ها:

در عمل، بیشتر مبدل های استاتیکی به توان راکتیو نیاز دارند که از طریق خازن ها این جبران سازی انجام می شود. وقتی تجهیزات جبران کننده توان راکتیو برای استفاده در مبدل های تولید کننده هارمونیک نصب می شوند، حالت رزونانس و تشدید، سبب هارمونیک های ولتاژی و جریانی بالایی می شود و می تواند هم به خازن ها و هم به تجهیزات نصب شده آسیب وارد کند. وقتی فرکانس افزایش می یابد، امپدانس خازن کاهش می یابد و یک مسیر با امپدانس کم برای جریان های هارمونیکی پدید می آید. این جریان ها به جریان مؤلفه اصلی جریان اضافه شده که می تواند باعث اضافه جریان خطرناک در خازن ها شود. خازن اصاح ضریب توان در مدار به صورت موازی با اندوکتانس شبکه و ترانسفورماتور قرار می گیرد (شکل 1).

 

جریان هارمونیکی که توسط مبدل استاتیکی تولید می شود، بین هر دو شاخه موازی در مدار تقسیم می شود که به امپدانس ایجاد شده در این مرتبه هارمونیکی وابسته است. باید به این نکته اشاره کرد که جریان عبوری از خازن و شبکه می تواند نسبت به زمانی که از مبدل استفاده می شود بیشتر باشد و اندازه این جریان هارمونیکی به میزان نزدیکی به فرکانس رزونانس وابسته است. این حالت می تواند برای هر کدام از هارمونیک هایی که در یک مبدل تولید شود رخ دهد و باعث صدمه زدن به خازن شود. بدترین شرایط زمانی رخ می دهد که فرکانس جریان های هارمونیکی مبدل استاتیکی برابر یا بسیار نزدیک به فرکانس رزونانس مدار موازی باشد جریان انتقال بین شاخه ها بسیار بالا است و به تجهیزات نصب شده می تواند آسیب جدی وارد شود.

جریان های هارمونیکی روی ولتاژ تأثیر داشته و سبب تولید اضافه ولتاژ روی خازن می شود و برای هر یک از هارمونیک هایی که خازن جذب می کند، می تواند از طریق فرمول زیر محاسبه شود:

در رابطه فوق داریم:

• I_cn: جریان هارمونیک مرتبه n که از خازن عبور می کند.
• I_h: جریان هارمونیک تولید شده توسط بار
• X_C: رأکتانس خازنی در فرکانس اصلی
• X_L: رأکتانس اتصال کوتاه شبکه در فرکانس اصلی
• Q_C: توان رأکتیو خازن
• S_K: توان اتصال کوتاه شبکه تغذیه کننده
• n: مرتبه هارمونیک

این رابطه جریان هارمونیکی که از خازن عبور می کند را نشان می دهد که در بعضی مواقع می تواند بسیار شدید باشد. بدترین حالت زمانی اتفاق می افتد که خازن و اندوکتانس شبکه در حالت مدار رزونانسی قرار بگیرد. وقتی این اتفاق می افتد که:

پیشنهادات جهت کنترل هارمونیک:

يكي از راه هاي كاهش هارمونیک ها، استفاده از فيلترها براي كنترل هارمونيك ها در شبكه مي باشد. براي طراحي چنين فيلترهايي ضروري است تا ابتدا سطح اعوجاج هارمونيكي در هر دو شكل موج ولتاژ و جريان ارزيابي شود سپس روشي صحيح را براي تعيين پارامترهاي فيلتر درنظر بگيريم. امروزه دو نوع فيلتر پسیو و اکتیور مورد استفاده قرار می گیرد.

برای یافتن بهترین راه حل برای جبران سازی و اصاح ضریب توان تجهیزات در نصب و راه اندازی، نیاز به بررسی جامع و دقیق داریم؛ به خصوص در بارهایی که هارمونیک تولید می کنند. از جمله این بررسی ها باید شامل شبیه سازی رایانه ای تمام تجهیزات نصب شده و اطلاعات جامع در مورد توان نامی تجهیزات و سطح اتصال کوتاه در سمت تغذیه ترانسفورماتور ها، توان اتصال کوتاه شبکه باشد . همچنین مانیتورینگ جریان های بار های تولیدی هارمونیک در یک مدت معقول ضبط می شوند.

به دلیل اینکه یافتن تمام این اطلاعات مشکل می باشد، رایج ترین عملکرد و ساده ترین راه تنها مطالعه بر روی دو پارامتر است: توان بارهای مصرفی که هارمونیک تولید می کنند و مقدار توان تغذیه ترانسفورماتور. نتیجه این بررسی ها و در نظر گرفتن هدف نهایی که بعضی از این اهداف می تواند اصاح ضریب توان کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی و… باشد، برخی از این راه حل ها می تواند این گونه صورت گیرد:

خازن های تقویت شده:

در زمانی که سطح اعوجاج جریان هارمونیکی هر چند به مقدار نا چیز وجود داشته باشد کافیست تا اضافه بار خطرناکی ایجاد کند که از مقدار مجاز تعریف شده در استاندارد IEC بیشتر باشد، از خازن های تقویت شده استفاده می شود. این خازن ها با دی الکتریک تقویت شده تولید می گردند که در شرایط نامساعد مقاومت بیشتری دارند و می توانند در 7/1 برابر جریان نامی و اضافه ولتاژ تا 15/1 برابر ولتاژ نامی به کار خود ادامه دهند.

 

فیلترهای حفاظتی:

وقتی که هدف اصلی جبران سازی توان راکتیو در فرکانس اصلی باشد، در شبکه های تغذیه که سطح اعوجاج هارمونیکی بالایی دارند از فیلتر حفاظتی استفاده می شود. هدف از این کار جلوگیری از ورود اضافه جریان هارمونیکی به مدار خازن می باشد که این امر با انتقال جریان هارمونیکی به مدار اصلی صورت می گیرد. فیلتر های حفاظتی با سری کردن یک راکتور با خازن ساخته می شود، این مقدار هماهنگی فرکانسی، مقداری بین فرکانس پایه و فرکانس کمترین هارمونیک موجود می باشد که معمولاً با پنجمی مرتبه هارمونیکی، تنظیم می شود.

 

فیلترهای هارمونیکی:

این فیلترها زمانی استفاده می شوند که هدف اصلی کاهش اعوجاج هارمونیکی موجود در سیستم تغذیه الکتریکی می باشد. زمانیکه هدف جبران سازی در فرکانس اصلی است، در شبکه های تغذیه که اعوجاج هارمونیکی بالایی دارند از فیلتر های حفاظتی استفاده می شوند.

هدف این است که این جریان های هارمونیکی با هدایت به مدار اصلی از اضافه بار در خازن جلوگیری شود. فیلتر های حفاظتی با ری قرار گرفتن راکتور با خازن ساخته می شوند. در این راستا، این مقدار هماهنگی فرکانسی، مقداری بین فرکانس پایه و فرکانس کمترین نیک موجود می باشد که معمولاً با پنجمین مرتبه هارمونیکی تنظیم می شود. این فیلتر یک امپدانس القایی بالایی برای فرکانس های هارمونیکی دارد.

اتصال راکتور سری به یک خازن باعث می شود خازن در ولتاژی بیشتر نسبت به ولتاژ تغذیه کار کند. به همین دلیل خازن هایی که به فیلترهای حفاظتی متصل می شوند نیاز است در ولتاژ بالاتری برای کار طراحی شوند. انتخاب نقطه تنظیم فیلتر، در تعادل با مرتبه هارمونیک هایی است که از فیلتر عبور داده نمی شود و یا مقدار ولتاژ اضافی که در خازن در فرکانس پایه به وجود می آید متناسب است.

باید متذکر شد که توان راکتیوی که در فیلتر در فرکانس نامی (50 هرتز) تأمین می شود با زمانی که بدون راکتور می باشد، متفاوت است. به طور معمول راکتوری که برای این کار مورد استفاده قرار می گیرد 7% امپدانس خازن در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال نقطه تنظیم در فرکانس 50 هرتز 189 هرتز است همچنین دیگر نقاط تنظیم نیز در دسترس است.

یک بانک خازنی بدون فیلتر همراه با اندوکتانس های شبکه تشکیل مدار رزونانسی می دهد. و در صورت حضور هارمونیک با فرکانس نزدیک به فرکانس رزونانس، اضافه ولتاژ و جریان های رزونانسی رخ می دهد.

شناسایی محل منابع هارمونیکی:

در فیدرهاي توزیع شعاعی و کارخانجات صنعتی، تمایل اصلی هارمونیک هاي تولید شده، جریان یافتی از محل تولید (بارهاي هارمونیک زا) بطرف منبع تغذیه سیستم است. زیرا امپدانس سیستم کمترین امپدانسی است که جریانها در مقابل خود داشته و میل به اتشار بدان سمت دارند.

 

کارهاي اصلی در شناسایی محل منابع هارمونیکی:

-1 نصب تجهیزات اندازه گیري کیفیت توان (مانند دستگاه پاور آنالایزر)

2- قطع و وصل تک تک بارها و سپس مانیتورینگ سیستم

3- بررسی نتایج اندازه گیري ها و تحلیل وضعیت شبکه

نکات مهم:

• لزوم جداسازي تمامی بانک هاي خازنی از شبکه زیرا در تعیین محل بارهاي هارمونیک زا ایجاد مشکل می نمایند.
• مدت زمان لازم براي اندازه گیري هارمونیک یک هفته و به صورت ذیل می باشد.
• بازه زمانی بسیار کوتاه مدت: برابر با 3 ثانیه
• بازه زمانی کوتاه مدت : برابر با 10 دقیقه
• حداکثر هارمونیک اندازه گیري شده در بازه زمانی کوتاه مدت
• احتمال تجمعی 95% هارمونیک اندازه گیري شده در بازه زمانی بسیار کوتاه مدت

تذکر: از میان دو مقدار فوق مقدار بزرگتر به عنوان شاخص شینه انتخاب می شود.