هارمونیک برق چیست ؟
در تعریف هارمونیک برق چیست یکی از مسائل مهم و پیچیده در حوزه مهندسی برق است که بر اثر تغییرات در سیستم های برقی و الکترونیکی به وجود می آیند. این امر می تواند عواقب مخربی برای تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی داشته باشد و بنابراین، بررسی علل و پیامد های هارمونیک های برقی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.در این مقاله با هارمونیک و علل به وجود آمدن آن آشنا خواهید شد.
هارمونیک برق چیست و تاریخچه آشنایی با هارمونیک
هنگامی که در اواخر دهه ۱۹۷۰ برای اولین بار مبدل های الکترونیک قدرت به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند، بسیاری از مهندسین برق نگران شدند که آیا سیستم های قدرت قابلیت اصلاح اختلالات هارمونیکی را دارا هستند یا خیر. پیش‌بینی های تاریکی درباره سرنوشت سیستم های قدرت پس از گسترش مبدل های الکترونیکی صورت گرفت.
هرچند برخی از این نگرانی ها ممکن است اغلب زیاده‌روی شده باشد، اما ارزیابی کیفیت برق باید به این مهندسین منتسب شود؛ زیرا نگرانی آن ها نسبت به این نوع جدید هارمونیک ها، به عنوان نقطه شروعی برای تحقیق و افزایش آگاهی درباره مسائل کیفیت برق، مورد توجه قرار گرفت.
تعریف هارمونیک
در اکثر شرکت های برق امریکا، فرض معمول این است که شکل موج ولتاژ سینوسی که در نیروگاه های برق تولید می شود، بسیار خوب و منظم است. اما ولتاژ در خطوط انتقال در واقع دارای درصدی از اغتشاش است. هرچه به سمت بار نزدیک تر می شویم، این اغتشاش افزایش می یابد. در برخی از بار ها، جریان به ندرت شبیه به یک سینوس کامل است و مبدل های الکترونیکی قدرت، جریان را به شکل موج های دلخواه تبدیل می کنند.
این اغتشاش ها به صورت تناوبی یا هارمونیکی هستند؛ یعنی سیکل به سیکل شبیه به یکدیگر هستند و تغییر در آن ها بسیار کم است. این وضع باعث استفاده گسترده از عبارت “هارمونیک” برای توصیف اغتشاش در شکل موج شده است.
علل بوجود آمدن هارمونیک های برق
تجهیزات الکتریکی غیرخطی
استفاده از تجهیزات الکتریکی مانند موتور های الکتریکی، مبدل های توان، و دستگاه های الکترونیکی غیرخطی باعث ایجاد جریان های نامتقارن و ولتاژ های تقریباً مربعی می شود که منجر به تولید هارمونیک‌های برقی می شود.
اتصال به شبکه های بزرگ
اتصال تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی به شبکه های برق بزرگ، به خصوص در صنایع بزرگ و مراکز تولید، ممکن است باعث ایجاد هارمونیک های برقی شود زیرا سیستم های بزرگ شبکه توانایی پایداری در برابر نوسانات و هارمونیک های برقی را کاهش می دهند.
تغییرات ناگهانی در بار
تغییرات ناگهانی در بار مصرفی شبکه، مانند روشن شدن یا خاموش شدن تجهیزات بزرگ، می تواند باعث ایجاد هارمونیک های برقی شود که عمدتاً به علت تغییرات سریع در جریان ها و ولتاژ ها ایجاد می شوند.
پیامد های هارمونیک های برقی
افزایش خطر نقض تجهیزات
هارمونیک های برقی می توانند باعث افزایش دمای تجهیزات الکتریکی، کاهش عمر آن ها و حتی نقض آن ها شوند که به طور مستقیم به هزینه های تعمیر و نگهداری افزوده می شود.
افزایش افت ولتاژ
هارمونیک های برقی می توانند باعث افت ولتاژ در شبکه شوند که ممکن است منجر به عملکرد نا مناسب تجهیزات متصل شده و حتی قطعی در عملکرد آن ها شود.
تداخل با سایر تجهیزات
هارمونیک های برقی می توانند باعث تداخل با سایر تجهیزات الکترونیکی یا برقی شوند که می تواند عملکرد آنها را تحت تأثیر قرار دهد و باعث افزایش خطرات ایمنی شود.
ریشه های ایجاد هارمونیک
اغتشاش های هارمونیکی
اغتشاش هارمونیکی ناشی از دستگاه های غیرخطی در سیستم قدرت به وجود می آید. دستگاه های غیرخطی، دستگاه هایی هستند که جریان آن ها به نسبت ولتاژ ورودی آن ها نیست.
اغتشاش هارمونیکی یک پدیده جدید نیست و در سیستم های قدرت با جریان متناوب، در طول تاریخ مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. تحقیقات انجام شده در دهه های ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ نشان می دهد که این پدیده قدیمی نیست و برخی مقالات در این زمینه منتشر شده است. ترانسفورماتور ها به عنوان منابع اولیه این اغتشاش شناخته شده اند، همچنین اعوجاج های القایی که در سیستم های تلفن با سیم باز روی می دهد، یک مسئله قدیمی است. لامپ های قوس الکتریکی اولین منابع اغتشاشات مشابه نوعی که در مبدل های الکترونیک قدرت دیده می شود، بوده اند.
ولتاژ ناشی از اغتشاش جریان
مفهوم هارمونیک به طور کلی بدون بررسی دقیق و کیفی استفاده می شود. به عنوان مثال، اغتشاش هارمونیکی می تواند عوامل زیادی را تحت تأثیر قرار دهد،به طور مثال برای کنترل و تعیین زاویه آتش، جریان های هارمونیکی بسیار بزرگ هستند (در اینجا ولتاژ تحت تأثیر اغتشاش قرار می‌گیرد).
برای برخی از وسایل در سیستم منابع قدرت، جریان های هارمونیکی بسیار زیاد می باشد، به طوری که ترانسفورماتور و ماشین آلات باید با توان کمتر از توان نامی کار کنند.
ولتاژ های هارمونیکی بسیار زیاد است، زیرا جریان های هارمونیکی تولید شده توسط دستگاه ها، به دلیل شرایط عملکرد سیستم، بسیار فراوان است.
راهکار های کاهش هارمونیک
بهبود جریان های هارمونیکی که توسط بار ها ایجاد می شوند، از جمله مهم ترین چالش های مهندسی برق است. با استفاده از تکنولوژی ها و روش های پیشرفته، می توان این جریان های نا خواسته را به حداقل رساند و عملکرد سیستم را بهبود بخشید.
فیلتر‌گذاری
استفاده از فیلتر‌های هارمونیک، به عنوان دستگاه‌های ویژه‌ای که برای سرکوب فرکانس‌های هارمونیک طراحی شده‌اند، می‌تواند یکی از راهکارهای موثر برای کاهش اثرات هارمونیک باشد. با قرار دادن این فیلترها در نقاط مناسب در سیستم برق، می‌توان تأثیرات هارمونیک را کاهش داد و عملکرد سیستم را بهبود بخشید.
اصلاح پاسخ فرکانسی سیستم
تضمین پاسخ فرکانسی مناسب در سیستم‌های برق برای کاهش هارمونیک‌ها و بهینه‌سازی عملکرد کلی بسیار حیاتی است.
اصلاح ضریب توان
بهبود ضریب توان می‌تواند با کاهش تقاضای توان راکتیو و افزایش کارآیی کلی سیستم، به کاهش هارمونیک‌ها کمک کند. استفاده از بانک‌های کپاسیتور و سایر دستگاه‌های اصلاح ضریب توان می‌تواند این هدف را دستیابی‌پذیر کند.
تنظیم ولتاژ
حفظ سطوح پایدار ولتاژ برای جلوگیری از انحرافات هارمونیکی و اطمینان از عملکرد یکنواخت تجهیزات برقی بسیار حائز اهمیت است. استفاده از تنظیم‌کننده‌های ولتاژ و سیستم‌های کنترل خودکار ولتاژ می‌تواند کمک کند تا تنظیم ولتاژ دقیقی انجام شود و تأثیر هارمونیک‌ها کمتر شود.
سرکوب رزونانس
پدیده رزونانس می تواند مشکلات هارمونیکی در سیستم های برق را تشدید کند و منجر به آسیب دیدن تجهیزات و ناپایداری شود. پیاده سازی تکنیک های سرکوب رزونانس مانند کپاسیتور ها و راکتور های جذب می تواند به کاهش تأثیرات رزونانس و افزایش استحکام سیستم کمک کند.
بهینه سازی تجهیزات مصرف کننده هارمونیک
به روزرسانی تجهیزات
استفاده از تجهیزات مدرن و پیشرفته که دارای فناوری های کنترل هارمونیکی هستند، می تواند به بهبود کارایی و کاهش تأثیرات هارمونیکی در سیستم های برق کمک کند.
اجرای طرح های مدیریت انرژی
استفاده از راهکار های مدیریت انرژی مثل شبکه های هوشمند و سیستم های مانیتورینگ مصرف انرژی می تواند به بهبود کارایی و کاهش اثرات هارمونیکی کمک کند.
سخن آخر
با توجه به به تعریفات هارمونیک برق چیست فهمیدیم اهمیت هارمونیک های برقی و پیامد های آن ها برای سیستم های برقی و الکترونیکی، لازم است که راهکار های مناسبی برای کنترل و مدیریت هارمونیک ها در نظر گرفته شود. این شامل استفاده از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی با کارایی بالا، طراحی شبکه های برق با در نظر گرفتن مشکلات هارمونیک، و استفاده از فیلتر ها و روش های دیگر برای کنترل هارمونیک‌های برقی می شود.
سوالات متداول
- آیا هارمونیک ها تنها در سیستم های برقی اتفاق می افتند؟
خیر، هارمونیک ها در واقع در هر نوع سیستم تولید و انتقال انرژی متناوب، از جمله سیستم های الکتریکی، الکترونیکی، و حتی صوتی و تصویری، ممکن است ایجاد شوند. - آیا تمامی دستگاه های الکترونیکی موجود در سیستم برق می توانند هارمونیک ایجاد کنند؟
خیر، تنها دستگاه های الکترونیکی غیرخطی می توانند هارمونیک ایجاد کنند. دستگاه های خطی معمولاً هارمونیک ناچیزی ایجاد می کنند. - آیا هارمونیک ها تنها برای تجهیزات الکتریکی مضر هستند؟
خیر، هارمونیک ها می توانند برای تجهیزات الکتریکی نه تنها مضر بلکه مخرب باشند. آن ها ممکن است باعث کاهش عمر تجهیزات، افزایش هزینه های نگهداری، و حتی باعث خرابی های ناگهانی شوند.
