اگر به عنوان یک متخصص برق مشغول کار هستید، ممکن است با مشکلاتی از قبیل سوختن کابل‌های برق و عملکرد نادرست تجهیزات حفاظتی و دستگاه‌های اندازه‌گیری مواجه شده باشید. یکی از دلایل بروز چنین مشکلاتی وجود هارمونیک در سیستم برق است.
حضور هارمونیک در سیستم قدرت باعث ایجاد اعوجاج در سیگنال‌های ولتاژ و جریان شده و اثرات بسیار زیان‌باری روی کیفیت عملکرد شبکه قدرت دارد. امروزه با افزایش استفاده از تجهیزات الکترونیکی و بارهای غیرخطی حجم هارمونیک در شبکه برق بیشتر شده است.
در این مقاله از آکادمی ماهر هارمونیک‌ها و نحوه ایجاد آن‌ها را شرح می‌دهیم. همچنین می‌توانید برای آگاهی بیشتر دوره جامع آموزش ارتینگ (سیستم زمین کردن) دکتر شجاعیان را تهیه کنید.
آشنایی با مفهوم کیفیت توان (Power Quality)
یکی از مباحث مربوط به سیستم تولید و انتقال نیرو که در سال‌های اخیر اهمیت بسیار یافته است، بحث کیفیت توان (Power Quality) است. در گذشته، این مبحث چندان مورد توجه قرار نمی‌گرفت؛ زیرا بارهای الکتریکی و روش‌های تولید انرژی الکتریکی به پیچیدگی و وسعت امروز نبودند و عوامل کاهش کیفیت توان هم به اندازه امروز در شبکه برق وجود نداشتند. کیفیت توان در یک تعریف خیلی ساده عبارت است از میزان شباهت موج‌های ولتاژ و جریان به یک شکل موج سینوسی ایده‌آل.
به طور کلی، بیشتر مصرف‌کننده‌های برق امروزی، از انواع لامپ تا وسایل خانگی و صنعتی دیجیتالی می‌توانند باعث کاهش کیفیت توان شوند. برای مثال، مدارهای الکترونیکی مانند اینورتر و انواع شارژرهای باتری، به‌ویژه شارژر‌هایی که برای شارژ لوازم الکترونیکی به کار می‌روند، باعث کاهش کیفیت توان شبکه می‌شوند.
به‌کارگیری منابع تجدید‌پذیر برای تولید انرژی مانند سیستم‌های سولار (خورشیدی) و نیروگاه‌های بادی نیز به دلیل استفاده از مبدل‌های الکترونیک قدرت، از دلایل کاهش کیفیت توان هستند. از جمله پدیده‌های مهم در کیفیت توان، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- سطح ولتاژ (Voltage Level): وسایل و تجهیزات الکتریکی با سطح ولتاژ مشخصی کار میکنند. پایین بودن سطح ولتاژ، باعث اختلال در عملکرد تجهیزات می‌شود و بالا بودن آن، فشار بر عایق‌های مصرف‌کننده را به همراه دارد.
- عدم تعادل ولتاژ (Unbalanced Voltage): در یک سیستم ولتاژ سه‌فاز متعادل اندازه ولتاژ هر سه فاز برابر و ضمن یکسان بودن فرکانس، اختلاف زاویه هر شکل موج با شکل موج دیگر ۱۲۰ درجه است. در نتیجه، زمانی که هر یک از شرایط مذکور برقرار نباشد، سیستم برق AC را نامتعادل گویند. این عدم تعادل می‌تواند ناشی از مشکلاتی مانند توزیع بار نامتوازن یا برق‌دار شدن نول رخ دهد. این مشکل می‌تواند باعث گرم شدن بیش از حد، عملکرد نادرست یا از کار افتادن تجهیزات شود.
- کمبود ولتاژ موقت (Voltage Sag): این حالت نوعی افت ولتاژ موقت است که به آن دره ولتاژ (Voltage Dip) نیز می‌گویند. در این نوع اختلال، سطح ولتاژ برای مدت زمان بیش از نیم سیکل قدرت تا یک دقیقه به کمتر از مقدار نامی (۱۰ تا ۹۰ درصد مقدار نامی) افت می‌‌کند. این اتفاق در اثر افزایش ناگهانی جریان بار، افت ناگهانی ولتاژ شبکه یا بروز اتصالی در سیستم قدرت رخ می‌دهد. ( هر سیکل قدرت در فرکانس ۵۰ هرتز ۲۰ میلی‌ثانیه و در فرکانس ۶۰ هرتز ۱۶ میلی‌ثانیه است.)
- بیشبود ولتاژ موقتی (Voltage Swell): این حالت، نوعی افزایش ولتاژ موقتی است که سطح ولتاژ را از مقدار نامی آن، برای مدت ۰.۵ سیکل تا یک دقیقه بالاتر می‌برد (بیش از ۱۱۰٪ مقدار نامی). این مشکل به دلیل تغییر ناگهانی جریان بار یا در پی رفع اتصالی از سیستم ممکن است رخ دهد.
- وقفه ولتاژ (Voltage Interruption): وقفه ولتاژ به معنی صفر شدن دامنه ولتاژ برای مدت‌زمان کوتاه است. این اتفاق ممکن است به دلیل بروز اشکال در سیستم توزیع یا در اثر صاعقه رخ دهد و زمان آن نیم سیکل قدرت تا چند دقیقه متغیر است.
- فلیکر (Flicker): نوسان ولتاژ به معنی تغییرات مستمر در دامنه ولتاژ بین ۹۰ الی ۱۱۰ درصد مقدار نامی است. تغییر ناگهانی بار مانند روشن شدن یک موتور بزرگ یا راه‌اندازی دستگاه‌های خاصی مانند دستگاه جوش، کوره یا درایوهای بزرگ، می‌تواند باعث بروز نوسان ولتاژ شود. این مشکل باعث سوسو زدن سیستم روشنایی می‌شود و طول عمر وسایل الکترونیکی را نیز کاهش می‌دهد. پدیده نوسان ولتاژ را با دو پارامتر فرکانس و عمق اندازه‌گیری میکنند.
- تداخل الکتریکی (Electrical Interference): تداخل الکتریکی، زمانی اتفاق می‌افتد که سیگنال‌هایی ارسال شده از مدارهای الکتریکی دیگر، خطوط انتقال یا حتی فرستنده‌های رادیویی، بر سیگنال ولتاژ مدار مورد نظر ما اثر بگذارد. تداخل الکتریکی باعث کاهش کیفیت سیگنال و افت عملکرد تجهیزات مصرف‌کننده می‌شود.
- قطع سیستم زمین (Lack of Grounding): زمین کردن به معنی اتصال مدارهای الکتریکی به زمین است. این کار باعث پایداری بهتر سیستم، کاهش نویز و تداخل و نیز حفاظت وسایل الکترونیکی در برابر الکتریسیته ساکن می‌شود. در اثر قطع ارتباط سیستم زمین مناسب، تجهیزات الکترونیکی حساس آسیب می‌بینند.
- گذراها (Transients): حالت‌های گذرا به نوسان‌های کوتاه و ناگهانی سیگنال‌های ولتاژ و جریان در یک دوره زمانی کوتاه گفته می‌شود. عواملی مانند صاعقه، سوئیچینگ در مدارهای الکتریکی و وجود اشکال در سیستم توزیع، می‌توانند موجب رخ دادن حالت‌های گذرا شود. مدت این نوسان‌های گذرا در حد چند میلی‌ثانیه است. این مشکل می‌تواند اثرات مخربی بر عملکرد و قابلیت اطمینان تجهیزات الکتریکی بگذارد.
- ضریب توان (Power Factor): ضریب توان از تقسیم توان اکتیو به توان ظاهری به دست می‌آید. کاهش ضریب توان باعث اتلاف انرژی و آسیب به تجهیزات می‌شود.
- هارمونیک‌ها (Harmonics): هارمونیک‌ها سیگنال‌هایی هستند که فرکانس بالاتری نسبت به فرکانس سیگنال شبکه دارند و باعث اعوجاج در سیگنال اصلی می‌شوند. وسایل الکترونیکی که رفتار غیرخطی دارند، از عوامل اصلی تولید هارمونیک هستند.
با توجه به گستردگی مبحث کیفیت توان، در اینجا به بررسی یکی از مهم‌ترین عوامل کاهش آن، یعنی هارمونیک‌های سیگنال بسنده می‌کنیم. برای بررسی هارمونیک، در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.
هارمونیک چیست؟
هنگامی که به یک بار الکتریکی ولتاژ سینوسی داده شده و آن بار، جریان غیر‌سینوسی از منبع می‌کشد، چنین باری را بار هارمونیک‌زا می‌نامند. دلیل چنین رفتاری، ویژگی‌های غیرخطی بار است. بیشتر وسایل و تجهیزات دنیای مدرن هارمونیک‌زا هستند.
لامپ‌های فلورسنت و مدارهای تغذیه آن‌ها، شارژرها، درایوهای الکتریکی و منابع تغذیه سوئیچینگ از جمله این وسایل هستند. تنها شمار اندکی از مصرف‌کننده‌ها، مانند لامپ‌های رشته‌ای، اتو و بعضی موتورهای الکتریکی باکیفیت، تولید هارمونیک نمی‌کنند.
با توجه به افزایش وسایل ایجاد کننده هارمونیک، شناخت این پدیده و مقابله با آن اهمیت ویژه‌ای یافته است.