هارمونیک، پدیده‌ای جالب در سیستم‌های الکتریکی است که تأثیر قابل توجهی روی کیفیت برق تولید و مصرف شده دارد. هارمونیک‌ها، ولتاژها و جریان‌های الکتریکی ناخواسته‌ای هستند که می‌توانند منجر به افت کارایی، گرم شدن تجهیزات و حتی خرابی آن‌ها شوند.

اما چرا هارمونیک به وجود می‌آید؟ تولید و مصرف نامتعادل برق، استفاده روزافزون از تجهیزات الکترونیک قدرت و وسایل غیرخطی مصرف‌کننده برق ازجمله دلایل اصلی هستند. با پیشرفت تکنولوژی، نفوذ روزافزون این تجهیزات در زندگی ما تأثیر هارمونیک‌ها را بیشتر کرده است.
در این مقاله به بررسی دقیق مفهوم و انواع هارمونیک‌ها، عوامل ایجادکننده آن‌ها و روش‌های مبارزه با این پدیده برای بهبود کیفیت تولید و مصرف برق می‌پردازیم. همچنین اثرات هارمونیک‌ها را بر عملکرد و بهره‌وری سیستم‌های الکتریکی مورد بررسی قرار خواهیم داد.

هارمونیک چیست؟

هارمونیک‌ها به طور خلاصه به معنای ولتاژها و جریان‌های الکتریکی ناخواسته‌ای هستند که با بسامدهای مشخصی در سیستم‌های قدرت الکتریکی ایجاد می‌شوند.
هارمونیک‌ها معمولاً به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• هارمونیک ولتاژ: نوسانات یا تغییرات ناخواسته در ولتاژ سیستم‌های الکتریکی هستند که منجر به ایجاد امواج سینوسی با بسامدهای مشخص می‌شوند.
• هارمونیک‌ جریان: نوسانات یا تغییرات ناخواسته در شکل موج جریان الکتریکی هستند که باعث ایجاد جریان‌های سینوسی نامتقارن و نامتوازن در سیستم می‌شوند.

بسامد هارمونیک‌ها معمولاً مضربی از بسامد اصلی سیگنال ولتاژ یا جریان سینوسی سیستم است. حضور هارمونیک‌ها موجب افت کیفیت توان و اختلال در عملکرد سیستم‌ می‌شود.

·علل ایجاد هارمونیک در سیستم‌های برق

هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق ممکن است به دلایل مختلفی ایجاد شود. یکی از علل اصلی این موضوع، وجود وسایل الکتریکی غیرخطی مانند ماشین‌های متحرک، ماشین‌های جابجایی فرکانس و تجهیزات الکترونیکی است که ممکن است باعث تغییر شکل موج‌های جریان و ولتاژ شود.
عوامل دیگری مانند اتصال چندین تجهیزات الکتریکی به یک خط تغذیه و همچنین تولید هارمونیک‌های ناشی از سیستم‌های توزیع و انتقال نیرو نیز می‌توانند به ایجاد هارمونیک‌ها در سیستم برق منجر شوند. اضافه بر این، استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی مانند محوله‌های الکتریکی و اینورترها نیز می‌تواند عاملی برای ایجاد هارمونیک باشد.
این هارمونیک‌ها ممکن است به دلیل تداخل با عملکرد سیستم برق، مشکلاتی مانند افزایش دما، افزایش از دست دادن توان و کاهش عمر مفید تجهیزات را ایجاد کنند.
درصد قابل توجهی از هارمونیک‌های ولتاژ در سیستم‌های قدرت توسط تجهیزات زیر ایجاد می‌شود:

• درایوهای موتورها و کنترل‌کننده‌های سرعت VSDs و ASDs

این تجهیزات الکترونیک قدرت به‌طور گسترده‌ای در صنعت برای کنترل موتورها استفاده می‌شوند و منبع عمده‌ای از آلودگی هارمونیکی هستند.

• منابع تغذیه SMPS

این منابع تغذیه که در کامپیوترها، تجهیزات اداری و خانگی یافت می‌شوند، جزء بزرگ‌ترین منابع تولید هارمونیک محسوب می‌شوند.

• راکتورها و بالاست‌های الکترونیکی

بخش عمده‌ای از بارهای خطی و غیرخطی صنعتی و نیز لامپ‌های رشته‌ای، منشاء اصلی هارمونیک در شبکه هستند.

• فرکانس بالا، کوره‌های صنعتی و جوشکاری

تجهیزات مرتبط با فرکانس بالا مانند کوره‌های صنعتی و دستگاه‌های جوش قوسی، آلودگی زیادی ایجاد می‌کنند.

تأثیرات هارمونیک بر سیستم برق

هارمونیک‌ها می‌توانند آثار و عواقب مخربی بر سیستم‌های برق داشته باشند، ازجمله:
اتلاف انرژی و کاهش کارایی
حضور هارمونیک‌ها باعث افزایش تلفات در سیستم و کاهش راندمان و بازدهی تجهیزات می‌شود. این امر منجر به هدر رفت انرژی و افزایش هزینه‌های تولید و انتقال برق می‌گردد.
گرمای اضافی و خرابی تجهیزات
جریان‌های هارمونیکی باعث تولید گرمای زیاد در تجهیزات می‌شوند و ممکن است به مرور عمر مفید آن‌ها را کاهش دهد.
پدیده رزونانس و نوسانات شدید ولتاژ
تداخل هارمونیک‌ها می‌تواند باعث بروز پدیده رزونانس در سیستم شود که ولتاژ را به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد.
ایجاد نویز و مشکلات ارتباطی
هارمونیک‌ها موجب اختلال در ارتباطات تلفنی، رادیویی، تلویزیونی و دیتا می‌شوند.
خطا در عملکرد تجهیزات حفاظتی
هارمونیک‌ها می‌توانند باعث فعال شدن نابجای تجهیزات حفاظتی و قطع بی‌دلیل برق شوند.

روش‌های تشخیص هارمونیک در سیستم برق

رایج‌ترین روش‌های تشخیص و اندازه‌گیری هارمونیک در سیستم‌های برق عبارت‌اند از:

• اندازه‌گیری مستقیم با دستگاه آنالایزر هارمونیک:

این دستگاه‌ها قادرند طیف هارمونیکی ولتاژ و جریان را تا حد چندین مضرب بسامد پایه اندازه بگیرند.

• روش‌های مبتنی بر تبدیل فوریه سریع (FFT):

از الگوریتم FFT برای تبدیل سیگنال زمانی به طیف فرکانسی و تشخیص الگوهای هارمونیکی استفاده می‌شود.

• روش تحلیل مؤلفه‌های متناوب (PCA):

روش PCA برای جداسازی هارمونیک‌ها از سایر مؤلفه‌های سیگنال بکار می‌رود.

• روش‌های مبتنی بر شبکه عصبی و یادگیری ماشین:

امروزه از هوش مصنوعی برای شناسایی الگو در داده‌های هارمونیکی استفاده می‌شود.

راهکارهای مبارزه با هارمونیک

راهکارهای مبارزه با هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق شامل موارد زیر می‌شود:

1. استفاده از فیلترهای فعال: این فیلترها برای کاهش هارمونیک‌ها از طریق تولید جریان‌ها و ولتاژ‌های معادل استفاده می‌شوند. این راهکار معمولاً در مواقعی که هارمونیک‌ها به تناوب‌های ارتعاش زا متصل هستند، مؤثر است.
2. استفاده از ترانسفورماتور‌های خاص: ترانسفورماتور‌هایی که برای کاهش هارمونیک‌ها طراحی شده‌اند را می‌توان برای کاهش اثرات هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق استفاده کرد.
3. استفاده از تکنولوژی PWM (پالس ورودی مودولاسیون): این تکنولوژی برای کنترل ولتاژ و جریان در تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شود و می‌تواند به کاهش هارمونیک‌ها کمک کند.
4. استفاده از فیلترهای پس‌گذر (Low-pass filters): این فیلترها برای حذف هارمونیک‌های بالاتر از یک فرکانس خاص و کاهش اثرات آن‌ها در سیستم‌های برق استفاده می‌شوند.
5. مدیریت مصرف انرژی: استفاده از تجهیزات کم‌هارمونیک و کاهش مصرف انرژی در سیستم‌های برق می‌تواند به کاهش هارمونیک‌ها کمک کند.

اهمیت مدیریت هارمونیک در سیستم‌های برق نوین

مدیریت هارمونیک در سیستم‌های برق نوین از اهمیت زیادی برخوردار است. دلایل اصلی عبارت‌اند از

• رشد روزافزون منابع تولیدکننده هارمونیک مانند درایوهای الکترونیک قدرت، سیستم‌های انرژی تجدید پذیر و غیره
• افزایش حساسیت بارهای مدرن به آلودگی‌های هارمونیکی، مانند تجهیزات پزشکی و الکترونیک
• تأثیر هارمونیک‌ها بر صحت عملکرد شبکه هوشمند و سیستم‌های اندازه‌گیری
• هزینه‌های هنگفت ناشی از خرابی تجهیزات، افت بازدهی و تلفات بیشتر
• الزامات استانداردهای جدید کیفیت توان مانند IEEE519, IEC61000 و غیره

بنابراین کنترل و محدودسازی سطح هارمونیک در شبکه‌های برق امری حیاتی و ضروری است.

جمع‌بندی نهایی

همان‌طور که در این مقاله اشاره شد، هارمونیک‌ها ولتاژها و جریان‌های سینوسی غیر مطلوبی هستند که با بسامدهای مشخصی در سیستم‌های الکتریکی بروز می‌کنند. حضور هارمونیک‌ها آثار منفی بسیاری بر کیفیت توان، عملکرد تجهیزات و بازدهی سیستم برق دارد که سبب افت کیفیت محصول و نیز افزایش تلفات و هزینه‌های بهره‌برداری می‌شود؛ بنابراین کنترل و مدیریت هارمونیک در سیستم‌های برق امری ضروری است.
به همین منظور، شرکت نیک صنعت با بهره‌گیری از دانش فنی متخصصان خود، خدمات و محصولات پیشرفته‌ای درزمینهٔ مانیتورینگ هارمونیک و همچنین تجهیزات تصحیح‌کننده هارمونیک ارائه می‌دهد تا مشتریان بتوانند با قابلیت‌های روزآمد و بهینه‌ای از الزامات استانداردهای کیفیت توان اطمینان حاصل نمایند.

راه‌های ارتباطی نیک صنعت:

• تماس با نیک صنعت: 87700210
• واحد فروش نیک صنعت: 09197872783
• واحد تعمیرات نیک صنعت: 09197872789
• ایمیل نیک صنعت: info@nicsanat.com
• آدرس شرکت: تهران، خیابان بهشتی، خیابان میرعماد، خیابان پیمانی (یازدهم)، پلاک 17

​

.