هارمونیک چیست ؟

هارمونیک چیست و چگونه آن را فیلتر و از سیستم حذف کنیم؟

هارمونیک چیست؟

فهرست

1- مقدمه‌ای بر هارمونیك

۲-هارمونیک چیست؟

3 -اعوجاج هارمونیکی

4 -منابع و تأثیرات هارمونیک

5 – حذف هارمونیک‌ها و انواع فیلترها

۵-۱ فیلترهای هارمونیک منفعل یا پسیو (Passive filters)

۵-۲ فیلترهای هارمونیکی فعال یا اکتیو(Active filters)  

۵-۳ فیلترهای هارمونیکی ترکیبی یا هیبریدی (Hybrid filters)

۱-مقدمه‌ای بر هارمونیک‌ها (هارمونیک چیست )

کیفیت تامین برق یک مساله مهم هم برای شرکت‌ها و هم برای کاربران‌است ، اما این کیفیت ممکن‌است تحت تاثیر اختلالات الکترومغناطیسی(electromagnetic disturbances) قرار گیرد .

در میان این اختلالات، باید هارمونیک هایی را که در همه سطوح ولتاژی اتفاق می‌افتد مشخص کنیم .

روش‌های مطالعه، محاسبه مقادیر قابل قبول و اصلاح و حذف هارمونیک‌ها در استاندارد زیر تعریف شده‌اند:

IEC [1]Standard 61000-2-4: Electromagnetic compatibility (EMC) [2] – Environment – Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances.

 استاندارد Standard 61000-2-4 IEC: سازگاری الکترومغناطیسی(EMC)-  سطوح سازگاری با محیط در کارخانه‌های صنعتی برای اختلات ایجاد‌شده با  فرکانس‌های پایین

۲- هارمونیک‌ها چیست؟

ژنراتور‌ها(مولد‌ها) ولتاژ های متناوب (V) و جریان‌ها (I) با شکل موج سینوسی و فرکانس f) 50)  هرتز یا 60 هرتز تولید می‌کنند (این فرکانس، که  اولین هارمونیک است‌معمولا توسط فرکانس اصلی یا صنعتی تعریف می‌شود)، چیزی که در شکل ۱ مشاهده می‌کنید .

با این حال، با توجه به برخی ویژگی‌های تجهیزات ، که در شبکه نصب می‌شوند جریان‌های با فرکانس‌های متفاوت غیر از فرکانس اصلی در شکبه ایجاد می‌کنند که ضرایبی از فرکانس‌های اصلی می‌باشد که به آنها هارمونیک می‌گویند.

هارمونیک 3 – 150 هرتز یا 180 هرتز؛ هارمونیک 5 – 250 هرتز یا 300 هرتز؛ هارمونیک هفتم – 350 هرتز یا 420 هرتز؛ و غیره.

ما می‌توانیم بگوئیم که هارمونیک اختلالات مداوم و یا تحریف در شبکه برق ایجاد می‌کنند و یک موضوع کاملا متفاوت یا مشکل متفاوت در مقایسه با ولتاژ‌های ضربه‌ای(impulse)، افت ولتاژ‌های ناگهانی sags ، spikes، surges در خطوط انتقال  که به عنوان اختلالات گذرا طبقه‌بندی می‌شوند هستند.

شکل 2

نمونه‌هایی از هارمونیک اول، هارمونیک 3 و هارمونیک 5 را نشان‌می‌دهد.

وجود هارمونیک باعث اختلال در شکل موج سیسنوسی ولتاژ (یا جریان) فرکانس اصلی  که در شکل 3 قابل مشاهده‌است می‌شود ، با توجه به این که هر شکل موجی را می‌توان با یک سری از فرکانس‌های مختلف سینوسی تعریف کرد، لذا هر نوع شکل موجی مجموع از هارمونیک‌های با ارزش یا کم ارزش‌است.

معادله‌ای که با آن می‌توان این فرکانس‌ها و دامنه شان را به دست‌آورد سری فوریه می‌باشد. برای مثال در واقع با سری فوریه می‌توان یک شکل موج مربعی را از مجموعی از شکل موج‌های سینوسی که ضریبی از یک فرکانس خاص می‌باشد ایجاد‌کرد.

چرا باید یک شکل موج مربعی را به مجموعی از شکل موج‌های سینوسی تبدیل کرد؟

این کار باعث می‌شود بسیاری از تحلیل‌ها در شبکه‌ی برق ساده‌تر‌شده و بتوان خیلی از معادلات تعریف‌شده در برق را برای تحلیل این شکل موج‌ها در مدارهای مختلف به کار برد.

سری فوریه[3] جمع لحظه‌ای (u(t را به صورت زیر نمایش می‌دهد

که

(t)زمان بر حسب ثانیه می‌باشد

 [ω = 2πf [s^-1

T دوره  تناوب [s]

f0 فرکانس اصلی [Hz]

s )t) یک تابع تناوبی‌است که در فاصله [0، T] قابل انتگرال‌گیری می‌باشد

معمولا هارمونیک 3 در سیستم الکتریکی مضر‌است، اما در شرایط خاص، هارمونیک‌های پنجم و هفتم را هم نیز نمی‌توان نادیده‌گرفت و در سیستم مزاحم‌هستند.

۳-اعوجاج هارمونیک(Harmonic Distortion)

با توجه به استاندارد IEC 61000-2-4، اعوجاج هارمونیک با پارامتر THD- Total Harmonic Distortion (مجموع اعوجاج هارمونیکی )مشخص می‌شود – که با معادله زیر محاسبه‌می‌شود:

جایی که Q1 نشان‌دهنده مقدار rms یا جریان در فرکانس اصلی(50 هرتز) و شکل موج هارمیک Q_i ترتیب هارمونیک ها “I” (هارمونیک دوم – I = 2، 3 هارمونیک I = 3 و غیره) از ولتاژ و یا جریان را نشان‌می‌دهد.

استاندارد IEC همچنین پارامترهای زیر را تعریف می‌کند:

( TDC (Total Harmonic Content یا کل محتوای هارمونیکی

که مقدار rms توسط معادله زیر محاسبه‌می‌شود:

که Q1 نشان دهنده مقدار rms ولتاژ و یا جریان در فرکانس پایه(50 هرتز) و مقدار QMS مقدار RMS ولتاژ یا جریان‌است.

(TDR (Total Harmonic Ratio – (نسبت مجموع هارمونیکی)

 نسبت مقدار RMS  TDC و مقدار rms ولتاژ یا جریان در فرکانس پایه (Q1)، توسط معادله زیر محاسبه‌می‌شود:

با توجه به حداقل توان سه فاز اتصال کوتاه (S”_K) شبکه و حداکثر مقادیر (Ω) امپدانس اتصال کوتاه در نقاطی که THD محاسبه‌شده [4] (Z_K; R_K; X_K) معمولا محاسبات برای ولتاژ انجام‌می‌شود، برای انجام این محاسبات یک نرم افزار خاص لازم‌است.

استانداردهای IEC فوق، 3 کلاس برای محیط الکترومغناطیسی را تعریف می‌کند [5]:

1. کلاس 1: این کلاس برای تجهیزات محافظت شده اعمال می‌شود و سازگاری کمتری با شبکه‌های برق رایج دارند .این کلاس مربوط به استفاده‌از تجهیزاتی که نسبت به اختلالات در منبع تغذیه بسیار حساس‌هستند می‌باشد، به عنوان مثال دستگاه‌های الکتریکی در آزمایشگاه‌ها، برخی از تجهیزات اتوماسیون و حفاظت، برخی از کامپیوتر‌ها و غیره.
2. کلاس 2: این کلاس به طور کلی به [PCC [6 و [IPC [7 در محیط‌های صنعتی و سایر منابع تامین توان غیر عمومی اعمال‌می‌شود. سطوح سازگاری این کلاس عموما با شبکه‌های عمومی برق مشابه‌هستند. بنابراین، اجزای طراحی‌شده برای استفاده در شبکه‌های عمومی برق ممکن‌است در این کلاس از محیط صنعتی استفاده‌شوند.
3. کلاس 3: این کلاس فقط برای IPC در محیط‌های صنعتی اعمال‌می‌شود. سطح سازگاری بالاتری از کلاس 2 برای برخی از پدیده‌های اختلالی دارند. به عنوان مثال، اگر هر یک از شرایط زیر وجود‌داشت این کلاس باید در نظر گرفته‌شود: بخش عمده‌ای از بار از طریق ژنراتور‌ها تغذیه می‌شود؛ ماشین آلات جوش وجود‌دارد، موتورهای بزرگ به دفعات زیاد استارت می‌خورند، بارها به سرعت تغییر میکنند.

سطوح سازگاری هارمونیک [8] (U_h [%])

برای فرکانس‌های فرد ضرایبی از عدد 3  در جدول 1 نشان داده‌شده‌است و برای فرکانس‌های فردی  که از  ضرایب 3  نیستند در جدول 2 نشان‌داده‌شده‌اند.

 

سطوح سازگاری THD برای هر یک از کلاس‌ها عبارتند از:

1- کلاس 1 – 5٪.

2- کلاس 2 – 8٪.

3- کلاس 3 – 10٪.

۴-منابع و اثرات هارمونیک ها

هارمونیک ها یک منبع دائمی از تولید مشکلات در تجهیزات الکتریکی و سیستم هستند.

انواع بارهای (بارهای غیر خطی [9]) منابع اصلی هارمونیک هستند شامل:

• تجهیزات الکترونیکی قدرت (به عنوان مثال: یکسو کننده‌ها – یعنی آنهایی که در سیستم‌های حمل و نقل کششی استفاده‌می‌شود – و مبدل‌های استاتیکی).
• تجهیزات جوش کاری (به عنوان مثال: کوره‌های القایی، ماشین‌های جوشکاری).
• تجهیزاتی که اشتباع می‌شوند (ترانس بی باری که توان نامی آن خیلی بزرگ‌است).

برای به حداقل رساندن تولید هارمونیک تجهیزات یکسوکننده شش پالس تولید می‌شوند و تجهیزاتی که برای سیستم‌های حمل و نقل کششی استفاده‌می‌شوند هارمونیک های‌جریان 5، 7، 17 و 19 را تولید می‌کنند که ناشی از عدم تعادل دیودها و امپدانس شبکه‌است.

همچنین در شرایط کاری عادی تجهیزات و شبکه، باید ریسک ناشی از رزونانس‌ها برای این فرکانس‌ها را در نظر گرفت.

عملیات سوئیچینگ

عملیات سوئیچینگ بانک های خازنی و ترانسفورماتورهای قدرت دارای اضافه بار، نیز یک منبع مهم تولید هارمونیک است.

ترانسفورماتورهای قدرت برای ولتاژهای بیش از 60 کیلو ولت با اتصال ستاره ستاره (YY) هم منبع هارمونیک هستند. برای جبران این هارمونیک ها، ترانسفورماتورهای قدرت ذکر شده باید یک سیم پیچ ثانویه داشته‌باشند، که اتصال آن دلتا (مثلث)‌است.

علاوه بر اعوجاج شکل  ولتاژ ، هارمونیک  باعث  عملکرد نادرست سیستم‌های کنترل و حفاظت هستند که ناشی از تداخل الکترومغناطیسی ، افزایش اثر پوستی [ ۱۰ ] ، ایجاد نوسان مکانیکی و ارتعاشات فرکانس‌است .

مخصوصا در ترانسفورماتورهای قدرت و ماشین‌های دوار، هارمونیک ها باعث کاهش ضریب توان (cos Φ)، ایجاد پیری زودرس در مواد عایق، منجر به از دست رفتن مشخصات دی الکتریکیشان، افزایش منابع تولید گرما  و افزایش دمای کار آنها مخصوصا در ترانسفورماتورها و کابل‌ها، و در کل باعث کاهش عمر این تجهیزات می‌شوند

هارمونیک هایی، که علت اعوجاج شکل  ولتاژ هستند، در بارهای غیر خطی همانن موتورها در جریان هستند و هنگامی که تحت یک شار مغناطیسی متغیر قرار‌می‌گیرند، باعث ایجاد جریان گردشی (جریان فوکو) در رسانا‌ها می‌شوند، که گشتاور را کاهش می‌دهد.

سیستم نامتعادل

در سیستم‌های نامتعادل، هارمونیک‌ها می‌توانند جریان خنثی(نول) بیشتر از مجموع جمع برداری جریان فاز‌ها در فرکانس اصلی ایجاد کنند که منجر به اضافه بار در هادی خنثی می‌شود.

اثر پوستی ، مقاومت رساناها را افزایش می‌دهد و بنابراین باعث افت ولتاژ و افزایش تلفات به علت اثر ژول می‌شود. این مساله به ویژه در خطوط هوایی بالای ۱۵۰ کیلو ولتی و طول ۸۰۰ کیلو متر و بالاتر بسیار حساس‌است . راه حل متداول برای حل این مشکل استفاده از خطوط هوایی DC‌است که در آن اثر پوستی وجود‌ندارد .

نوسانات مکانیکی و ارتعاشات چرخش ماشین‌های الکتریکی ممکن‌است باعث عدم تقارن  شفت و تخریب استاتور، روتور و بلبرینگ‌شود.

، به علت جریان فوکو و هیسترزیس [11]، تفات در ترانسفورماتورهای قدرت افزایش می‌یابد، که متناسب با اثر فرکانس فرکانس هستند

۵-حذف هارمونیک ها و انواع فیلتر ها

هنگامی که بانک‌های خازنی برای تصحیح ضریب توان مورد‌استفاده قرار می‌گیرند ، یک جریان هارمونیکی قابل توجهی وارد بانک خازنی میشود. در این شرایط لازم‌است به طور موقت بانک خازنی خاموش شود  تا محل دقیق منابع هارمونیک مشخص شود.

در چنین حالتی از نصب و راه اندازی بانک خازنی، این نکته بسیار مهم‌است تا بررسی کنیم که آیا خطر تشدید هارمونیک ناشی از هارمونیک‌های بانک خازنی وجود دارد. این اولین قدم برای پیدا کردن راه حل صحیح جبران هارمونک ها‌است.

پس از تایید وجود هارمونیک ها و در صورتی که مقدار THD بیش از حد تعریف شده توسط استاندارد IEC 61000-2-4 و / یا تعیین شده توسط شبکه باشد، باید یک راه حلی برای حذف یا کاهش هارمونیک ها پیدا کنیم؛ راه حل برای اجرا بستگی به ویژگی‌های نصب و راه اندازی دارد.

ساده ترین راه حل که در ولتاژ کم ولتاژ (V ≤ 1 کیلوولت) استفاده‌میشود، استفاده از کویل‌های مسی است (شکل 4 را ببینید) که به عنوان فیلتر فرکانس بالا عمل می‌کنند، جریان راه اندازی یکسو کننده ها را محدود می کند و مانع تداخل متقابل میشود.

 

اندوکتانس ( L ) هر فاز با این معادله محاسبه میشود :

• ΔV_L افت ولتاژ داخلی راکتانس می‌باشد[٪]
• V_n ولتاژ فاز به فاز شبکه می‌باشد[V]
• f_n فرکانس اصلی شبکه [Hz]
• I_n جریان [A]

در شبکه‌ها و تاسیسات با آلودگی الکتریکی بالا (سطح هارمونیک بالا)، که در آن G_h/S_n > 60%  (G_h  قدرت ظاهری تمام بارهای غیر خطی که باعث تولید هارمونیک‌است و S_n  قدرت ظاهری تمام ترانسفورماتورهای بالا دست متصل به همان باس جایی که بارها متصل هستند. توصیه‌‌می‌شود برای نصب فیلترهای هارمونیک مانند حالت نشان داده‌شده در شکل 5 عمل‌کنید

جبران هارمونیک ها می‌تواند متمرکز باشد، با فیلترهای هارمونیک متصل‌شده در تابلو ورودی اصلی، یا غیر متمرکز یا محلی که در این روش نصب فیلترهای هارمونیک نزدیک به تجهیزات‌است که منابع اصلی هارمونیک هستند. هر دو راه حل در شکل 6 نشان داده‌شده‌است.

فیلترهای هارمونیک به سه دسته تقسیم می‌شوند:

۵-۱-فیلترهای پسیو(Passive filters)

• این نوع فیلتر‌ها توسط مدارهای سری LC ساخته‌شده‌اند که برای هر یک از فرکانس هایی طراحی شده‌ند که قرار‌است فیلتر هارمونیکی برای آن فرکانس‌ها انجام‌شود که معمولا 5، 7 و 11 می باشد. ویژگی‌های اصلی آنها عبارتند از:
• هیچ محدودیتی برای حذف جریان هارمونیکی در حال حذف وجود‌ندارد.
• آنها اصلاح ضریب توان را انجام می‌دهند.
• وقتی تغییرات در شبکه وجود دارد، ریسک افزایش هارمونیک ها تقویت‌می‌شود.
• به علت آلودگی الکترومغناطیسی خارجی ، خطر اضافه بار وجود‌دارد.

۵-۲-فیلترهای فعال(Active Filters)

این نوغ فیلتر‌ها از قسمت‌های  الکترونیکی و میکرو پردازشی تشکیل شده اند، کنترل هارمونیکهای مرتبه   2nd تا 50th را دارند؛ برای هر محدوده فرکانسی در این نوع فیلتر یک جریان تولید میشود که دارای تغییر فاز 180 درجه و در همان مقدار جریان هارمونیکی‌است که باید جبران شود لذا هارمونیک مورد نظر حذف‌می‌شود.

این نوع فیلترها با تغییرات شبکه، بارها و محدوده هارمونیک سازگار‌است، مخصوصا برای جبران غیر  مرکزی یا محلی مناسب‌است.

۵-۳-فیلترهای ترکیبی(Hybrid filters)

این  نوع فیلتر هاترکیبی از فیلترهای فعال و غیر فعال‌است، کنترل هارمونیک در محدوده بین مرتبه   2nd to 25th  را انجام می‌دهند، و همچنین انجام اصلاح ضریب توان نیز انجام می‌دهند

خوب‌است بدانید:

[1] کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک IEC  International Electro technical Comission.

[2] سازگاری الکترومغناطیسی(Electromagnetic compatibility ): به عنوان توانایی کار کردن به طور صحیح تجهیزات الکتریکی در یک محیط الکترومغناطیسی تعریف‌میشود بدون اینکه دستگاه مورد نظر هر نوع اختلالات الکترومغناطیسی در سایر تجهیزات و سیستم‌هایی که ممکن‌است در آن محیط وجود داشته‌باشد ایجاد کند، تعریف میشود.

[3] سری فوریه(Fourier series ) یک ثری مثلثاتی همگرا‌ست که برای نشان دادن توابع با مجموعه‌ای از توابع سینوسی استفاده‌میشود.

[4] برای مقادیر R_K  و X_K  در شبکه های معمول یک تقریب، R_K/X_K = 0.1 در نظر گفته میشود و معادله

Z_K = √(R_K²+X_K²)[ps2id id=’R4′ target=”/]

 [5] تعریف کلاسها، رونویسی از استاندارد IEC 61000-2-4‌است.

[6] PCC: نقطه‌ای از شبکه برق عمومی که از نظر الکتریکی نزدیک به یک بار خاص‌است، که در آن نقطه سایر بارها وجود دارند یا می توانند متصل شوند.

[7] IPC: نقطه روی شبکه درون یک سیستم و یا تاسیسات الکتریکی، که از نظر الکتریکی به یک بار خاص نزدیک است که در آن نقطه سایر بارها وجود دارند یا می توانند متصل شوند.

[8] سطح سازگاری(Compatibility level ) سطح اختلال الکترومغناطیسی تعریف می‌کند که به عنوان یک سطح مرجع در یک محیط مشخص برای هماهنگی در تنظیم محدودیت‌ها  انتشار و ایمنی اختلالات الکترو مغناطیسی تعریف می‌کند.

[9] بار غیر خطی باری نامیده میشود که امپدانس آن با ولتاژ اعمال شده تغییر میکند.

[10] اثر پوستی (Skin effect ) ییک پدیده‌است که می توسط دفع جریان الکترومغناطیسی تعریف می شود که نتیجه آن این است که جریان فقط تمایل دارد در سطح بیرونی هادی حرکت کنید

[11]  هیستر زیس (Hysteresis ) چیزی‌است که در آن هنگامی که میدان مغناطیسی به مواد فرو مغناطیسی، به عنوان مثال هسته ترانسفورماتور اعمال‌‌می‌شود،

ماده به طور دائم مغناطیسی باقی می‌ماند، حتی اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته‌باشد.

 

همچنین مطالعه‌ی مقاله‌ی زیر پیشنهاد می‌گردد:

سنکرون یا موازی کردن دیزل ژنراتور‌های متفاوت – قسمت 1