در یک سیستم برق ایده آل، شکل موج ولتاژ و جریان کاملاً سینوسی است و فرکانس آن با فرکانس اصلی شبکه مطابقت دارد. در عمل، بسیاری از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی باعث میشوند شکل موج جریان از حالت سینوسی خارج شود. نتیجه این پدیده، ایجاد مؤلفه هایی با فرکانس های بالاتر از فرکانس اصلی است که به آنها هارمونیک گفته میشود.
در میان هارمونیک های مختلف، هارمونیک سوم اهمیت ویژه ای در سیستم های برق صنعتی دارد؛ زیرا نحوه رفتار آن در شبکه سه فاز با بسیاری از هارمونیک های دیگر متفاوت است و میتواند باعث افزایش جریان در مسیر نول، گرم شدن تجهیزات و افزایش تلفات شود.
در این مقاله بررسی می کنیم هارمونیک سوم چیست، چگونه ایجاد میشود، چرا اهمیت دارد و برای کنترل اثرات آن چه راهکارهایی وجود دارد.
هارمونیک سوم چیست؟
فرکانس اصلی شبکه برق در ایران معمولاً 50 هرتز است. هارمونیک ها مضرب صحیحی از این فرکانس هستند. بنابر این:
- هارمونیک اول: 50 هرتز
- هارمونیک دوم: 100 هرتز
- هارمونیک سوم: 150 هرتز
- هارمونیک پنجم: 250 هرتز
- هارمونیک هفتم: 350 هرتز
به زبان ساده، اگر در یک شبکه 50 هرتزی مؤلفه ای با فرکانس 150 هرتز در کنار مؤلفه اصلی وجود داشته باشد، این مؤلفه هارمونیک سوم محسوب میشود. نکته مهم این است که وجود مقدار کمی هارمونیک در شبکه لزوماً به معنای خرابی سیستم نیست. مسئله زمانی جدی میشود که مقدار اعوجاج از محدوده قابل قبول خارج شود و روی عملکرد یا عمر تجهیزات تأثیر بگذارد.
هارمونیک سوم چگونه ایجاد میشود؟
منبع اصلی هارمونیک ها معمولاً بارهای غیرخطی هستند. در یک بار خطی، شکل موج جریان تقریباً متناسب با شکل موج ولتاژ است؛ اما در بار غیرخطی، جریان به شکل سینوسی و متناسب با ولتاژ شبکه مصرف نمیشود. برخی از تجهیزات رایج که می توانند باعث ایجاد هارمونیک شوند عبارت اند از:
- درایوهای دور متغیر و اینورترها
- منابع تغذیه سوئیچینگ
- UPS
- رکتیفایرها و یکسوسازها
- تجهیزات الکترونیک قدرت
- کامپیوترها و تجهیزات اداری
- شارژرها
- برخی سیستمهای روشنایی
البته مقدار و نوع هارمونیک تولیدشده به ساختار تجهیز، نوع بار و شرایط شبکه بستگی دارد.
چرا هارمونیک سوم اهمیت بیشتری دارد؟
یکی از مهمترین ویژگی های هارمونیک سوم، رفتار آن در سیستم های سه فاز است. هارمونیک سوم از گروه هارمونیک هایی است که به آن ها تریپلن (Triplen) گفته میشود. هارمونیک های 3، 9، 15 و… در این گروه قرار میگیرند.
در سیستم سه فاز، مؤلفه های هارمونیک سوم سه فاز نسبت به یکدیگر شرایط متفاوتی نسبت به مؤلفه اصلی دارند. در مسیرهای دارای سیم نول، این موضوع میتواند باعث شود مؤلفه های هارمونیک سوم به جای خنثی شدن، در هادی نول با یکدیگر جمع شوند.
افزایش جریان نول
در یک سیستم متعادل، جریانهای فرکانس اصلی سه فاز در نقطه نول یکدیگر را تا حد زیادی خنثی میکنند. اما برای هارمونیکهای سوم و تریپلن، این رفتار متفاوت است. در نتیجه، اگر بارهای غیرخطی زیادی در شبکه وجود داشته باشند، جریان هارمونیکی قابل توجهی میتواند در سیم نول ایجاد شود.
این مسئله بهخصوص در ساختمانها و مجموعههایی که تعداد زیادی تجهیزات الکترونیکی، کامپیوتر، UPS و منابع تغذیه سوئیچینگ دارند اهمیت پیدا میکند.
تأثیر هارمونیک سوم بر تجهیزات چیست؟
افزایش هارمونیکها فقط یک مسئله تئوری نیست. در صورت بالا بودن سطح اعوجاج، میتوان آثار آن را در عملکرد تجهیزات و شبکه مشاهده کرد.
1. افزایش تلفات و گرما
جریان هارمونیکی باعث افزایش جریان مؤثر عبوری از برخی تجهیزات و هادیها میشود. افزایش جریان نیز میتواند تلفات اهمی و گرمای تولیدشده را افزایش دهد.
2. گرمشدن سیم نول
در شبکههایی که بارهای غیرخطی زیادی دارند، هارمونیکهای سوم و تریپلن میتوانند باعث افزایش جریان نول شوند. در صورت طراحی نامناسب، این جریان اضافه میتواند موجب افزایش دمای هادی و اتصالات شود.
3. افزایش استهلاک ترانسفورماتور
هارمونیکها میتوانند باعث افزایش تلفات و حرارت در ترانسفورماتورها شوند. به همین دلیل، هنگام طراحی یا انتخاب تجهیزات برای شبکههای دارای بار غیرخطی، کیفیت توان باید مورد توجه قرار گیرد.
4. ایجاد اختلال در تجهیزات حساس
اعوجاج شدید ولتاژ و جریان ممکن است روی عملکرد برخی تجهیزات کنترلی، اندازهگیری و الکترونیکی اثر بگذارد.
5. کاهش کیفیت توان
هارمونیکها یکی از عوامل مهم ایجاد اعوجاج شکل موج هستند. هرچه سهم مؤلفههای هارمونیکی بیشتر شود، شکل موج واقعی از موج سینوسی ایدهآل فاصله بیشتری میگیرد.
ارتباط هارمونیک سوم با THD چیست؟
برای ارزیابی میزان اعوجاج یک سیستم، یکی از شاخصهای متداول THD یا Total Harmonic Distortion است. THD نشان میدهد مؤلفههای هارمونیکی چه سهمی در مقایسه با مؤلفه اصلی دارند. بنابراین صرفاً دانستن مقدار هارمونیک سوم برای ارزیابی وضعیت یک شبکه کافی نیست و معمولاً باید طیف هارمونیکی و THD نیز بررسی شود.
برای مثال، ممکن است در یک شبکه هارمونیک سوم وجود داشته باشد اما مقدار آن پایین باشد و مشکل قابل توجهی ایجاد نکند. در مقابل، افزایش همزمان چند مؤلفه هارمونیکی میتواند وضعیت کیفیت توان را نامطلوب کند.
به همین دلیل در بررسی یک شبکه صنعتی بهتر است به جای تمرکز روی یک عدد، کل طیف هارمونیکی، THD و شرایط بار مورد بررسی قرار گیرد.
آیا هارمونیک سوم برای بانک خازنی خطرناک است؟
این موضوع به شرایط شبکه بستگی دارد. خازن ها در برابر جریان های هارمونیکی میتوانند تحت تأثیر قرار بگیرند و در برخی شرایط، ترکیب ظرفیت خازنی شبکه با اندوکتانس سیستم ممکن است باعث ایجاد شرایط رزونانسی شود.
در چنین شرایطی، جریان عبوری از خازن افزایش پیدا میکند و میتواند باعث گرمشدن، کاهش عمر یا حتی خرابی خازن شود. به همین دلیل در شبکههایی که بار غیرخطی قابل توجه دارند، قبل از انتخاب بانک خازنی باید وضعیت هارمونیکها و شرایط شبکه بررسی شود.
اگر می خواهید درباره منشأ هارمونیک ها، اثر آنها بر شبکه برق، THD، رزونانس و روشهای اصلاح هارمونیکها اطلاعات کاملتری داشته باشید، مطالعه راهنمای هارمونیک در شبکه برق میتواند دید جامعتری نسبت به این موضوع ارائه دهد.
چگونه هارمونیک سوم را اندازهگیری کنیم؟
برای تشخیص میزان هارمونیک در یک شبکه، معمولاً از تجهیزات آنالیز کیفیت توان یا پاورآنالایزر استفاده میشود.
در یک بررسی استاندارد، میتوان مواردی مانند را بررسی کرد:
- ولتاژ و جریان هر فاز
- جریان سیم نول
- THD ولتاژ
- THD جریان
- دامنه هارمونیکهای مختلف
- وضعیت بار در زمان اندازهگیری
اندازه گیری در زمان مناسب اهمیت زیادی دارد؛ زیرا میزان هارمونیک میتواند با تغییر بار و شرایط کاری تجهیزات تغییر کند.
روشهای کاهش هارمونیک سوم
راهکار مناسب برای کاهش هارمونیک به منبع ایجاد آن، مقدار اعوجاج و ساختار شبکه بستگی دارد. برخی از راهکارهای متداول عبارتاند از:
استفاده از تجهیزات با اعوجاج کمتر
انتخاب درایوها، منابع تغذیه و تجهیزات الکترونیک قدرت با عملکرد مناسب میتواند در کاهش تولید هارمونیک مؤثر باشد.
استفاده از فیلتر هارمونیک
در شرایطی که سطح هارمونیک بالا باشد، میتوان با توجه به نتایج اندازهگیری از فیلترهای مناسب برای کاهش مؤلفههای هارمونیکی استفاده کرد.
استفاده صحیح از راکتور
در برخی کاربردها، استفاده از راکتور در ورودی تجهیزات یا همراه بانک خازنی میتواند به کنترل شرایط شبکه و کاهش مشکلات ناشی از هارمونیک کمک کند.
طراحی مناسب سیستم برق
انتخاب صحیح سطح مقطع هادیها، ترانسفورماتور، مسیر نول و تجهیزات حفاظتی در شبکههایی با بار غیرخطی اهمیت زیادی دارد.
آیا فقط هارمونیک سوم مشکلساز است؟
خیر. هارمونیک سوم تنها یکی از مؤلفههای موجود در یک سیستم دارای اعوجاج است. در بسیاری از تجهیزات صنعتی، هارمونیکهای پنجم، هفتم و مؤلفههای دیگر نیز میتوانند وجود داشته باشند.
بنابراین اگر هدف، بررسی کیفیت توان یک مجموعه صنعتی است، بهتر است به جای بررسی یک هارمونیک خاص، کل طیف هارمونیکی شبکه مورد ارزیابی قرار گیرد. این موضوع بهخصوص در مجموعههایی که تعداد زیادی درایو، UPS، رکتیفایر یا تجهیزات الکترونیکی قدرت دارند اهمیت بیشتری پیدا میکند.
جمعبندی
هارمونیک سوم یک مؤلفه با فرکانس سه برابر فرکانس اصلی شبکه است که در شبکه 50 هرتزی برابر با 150 هرتز خواهد بود. این هارمونیک عمدتاً در اثر بارهای غیرخطی ایجاد میشود و به دلیل رفتار خاص مؤلفههای تریپلن در سیستمهای سهفاز، میتواند در مسیر نول اهمیت ویژهای داشته باشد.
افزایش هارمونیکها ممکن است باعث افزایش تلفات و حرارت، کاهش کیفیت توان و ایجاد فشار اضافی روی برخی تجهیزات شود. همچنین در شبکههایی که بانک خازنی دارند، بررسی هارمونیکها برای جلوگیری از شرایط نامناسب رزونانسی اهمیت دارد.
بنابراین بهترین روش برخورد با این مسئله، اندازه گیری واقعی شبکه، شناسایی منابع هارمونیک و انتخاب راهکار اصلاحی متناسب با شرایط سیستم است. در نهایت، هارمونیک سوم را نباید بهتنهایی بررسی کرد؛ بلکه باید آن را بخشی از تصویر بزرگتر کیفیت توان در یک شبکه الکتریکی دانست.