هارمونیک چیست؟

هارمونیک چیست؟

ولتاژی که ما از شبکه دریافت می‌کنیم، ولتاژی با شکل موج کاملا سینوسی است، اما گاها اگر جریانی که از طریق یک بار از شبکه دریافت می‌کنیم را از طریق اسیلوسکوپ مشاهده بکنیم، اثری از شکل موج سینوسی نمی‌بینیم، حتی شکل موج ولتاژی هم که بار به آن متصل است نیز سینوسی کامل نیست. چرا؟؟

به طور کل هرگاه شکل موج جریان و ولتاژ به صورت سینوسی نباشد، می‌گوییم جریان یا ولتاژ دچار هارمونیک شده است. هارمونیک‌ها با شکل‌موج‌هایی با فرکانسی بالاتر از فرکانس شبکه یا اصلی (در ایران فرکانس شبکه 50 هرتز است) هستند که بر روی سیگنال اصلی سوار می‌شوند و شکل موج را دچار اعوجاج می‌کنند

برای سیگنالی که فرکانس اصلی آن f است، هارمونیک دوم فرکانس 2f دارد. هارمونیک سوم دارای فرکانس 3f و غیره است. علاوه بر این، w نشان دهنده طول موج سیگنال یا موج در یک محیط مشخص است. هارمونیک دوم دارای طول موج w/2 و هارمونیک سوم دارای طول موج w/3 است. سیگنال هایی که در فرکانس های 2f، 4f، 6f و بیشتر رخ می دهند، هارمونیک زوج نامیده می شوند. سیگنال هایی در فرکانس های 3f، 5f و 7f را هارمونیک های فرد می نامند. یک سیگنال در تئوری می تواند تعداد بی نهایت هارمونیک داشته باشد.

در تصویر زیر در سمت چپ ابتدا شکل موج هارمونیک‌های 1 تا 4 نمایش داده شده است، و در سمت راست نتیجه اعمال هر هارمونیک بر شکل موج اصلی نمایش داده شده است.

شکل موج قرمز رنگ: سیگنال خروجی پس از اعمال هارمونیک

هارمونیک چگونه به وجود می‌آید؟

وجود هارمونیک ها در سیستم های الکتریکی به معنای اعوجاج جریان، ولتاژ و انحراف از شکل موج سینوسی است. جریان های هارمونیک توسط بارهای غیر خطی متصل به سیستم توزیع ایجاد می شوند. به طور کلی هنگام برخورد با ولتاژها و جریان های متناوب در مدارهای الکتریکی فرض می شود که آنها خالص و سینوسی شکل هستند و تنها یک مقدار فرکانس وجود دارد که “فرکانس مرجع” نامیده می شود، اما همیشه اینطور نیست.

مثالی از جریان سینوسی (چپ) و مثالی از جریان تحریف شده توسط هارمونیک (راست)

بار خطی و غیرخطی

بارهای الکتریکی AC بسته به نحوه جذب جریان از شکل موج منبع تغذیه، خطی یا غیر خطی نامیده می شوند. با یک بار خطی، رابطه بین شکل موج ولتاژ و جریان، سینوسی است و جریان در هر زمان متناسب با ولتاژ است (قانون اهم). به عنوان مثال، عملکرد مقاومت الکتریکی در یک مدار AC، دقیقاً به همان شکلی است که در مدار DC عمل می کند. یعنی جریان عبوری از مقاومت متناسب با ولتاژ دو طرف آن است. این به این دلیل است که مقاومت یک المان خطی است و اگر ولتاژ اعمال شده به آن یک موج سینوسی باشد، جریان عبوری از آن نیز یک موج سینوسی است، بنابراین اختلاف فاز بین دو سینوسی صفر است. نمونه های دیگری از بارهای خطی شامل ترانسفورماتورها، موتورها،سلف ها و خازن ها هستند.

شاید تا به حال فکر می‌کردید بارهای سلفی و خازنی جزو بارهای غیرخطی محسوب می‌شوند درحالی که اینگونه نیست، این نوع بارها بین جریان و ولتاژ اختلاف فاز ایجاد می‌کنند ولی جریان و ولتاژ حاصله کاملا سینوسی است، همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد، هرگاه شکل موج جریان و ولتاژ به صورت سینوسی نباشد، می‌گوییم جریان یا ولتاژ دچار هارمونیک شده است، پس نتیجه می‌گیریم که اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ ارتباطی با هارمونیک ندارد.

از طرف دیگر، در یک بار غیر خطی، جریان متناسب با ولتاژ نیست . نمونه‌های رایج بارهای غیرخطی شامل یکسو کننده‌ها، درایوهای با سرعت متغیر و دستگاه‌های الکترونیکی مانند رایانه‌ها، چاپگرها، تلویزیون‌ها، سرورها و سیستم‌های مخابراتی است که از  منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) استفاده می‌کنند.

در تصویر زیر شکل موج ولتاژ و جریان، یک نمونه بار خطی و غیرخطی را مشاهده می‌نمایید.

تصویر سمت راست بار خطی و تصویر سمت چپ بار غیر‌خطی

اعوجاج هارمونیک کل (THD) چیست؟

اعوجاج هارمونیک کل (THD: Total Harmonic Distortion) اندازه گیری مقدار انحراف از شکل موج سینوسی خالص است که می تواند توسط یک بار غیر خطی ایجاد شود و معمولا به صورت درصد بیان می‌شود، هرچه قدر میزان THD کمتر باشد، شکل موج سینوسی دارای کیفیت بهتری است(یک VFD یک بار غیر خطی در نظر گرفته می شود زیرا فقط در صورت لزوم جریان را از خط برق می گیرد).

اثرات هارمونیک بر سیستم

برخی از تاثیرات مخرب هارمونیک برسیستم در زیر آورده شده است:

• جریان های بار بزرگ در سیم های نول یک سیستم 3 فاز.
• ولتاژ بالای نول به زمین اغلب بیشتر از 2 ولت
• خطاهای ارتباطی، گرمای بیش از حد و آسیب سخت افزاری
• گرم شدن بیش از حد تجهیزات توزیع برق، کابل ها، ترانسفورماتورها، ژنراتورهای آماده به کار و غیره
• ولتاژهای بالا و جریان های گردشی ناشی از تشدید هارمونیک
• خرابی ژنراتور
• عملکرد نادرست تجهیزات به دلیل اعوجاج ولتاژ بیش از حد
• کاهش ضریب قدرت سیستم و در نتیجه جریمه های ماهانه بارگیری بیش از حد قبوض برق از نول

هارمونیک و VFD

VFD در طبیعت خود یک بار غیر خطی در سیستم الکتریکی است به این معنا که یک جریان غیر سینوسی می کشد حتی اگر ولتاژ اعمال شده کاملاً سینوسی باشد. یکسو کننده موجود در VFD باعث ایجاد اعوجاج در خط AC می شود. زیرا یکسو کننده، یک بانک خازنی به نام لینک DC را شارژ می کند. جریان فقط زمانی از خط AC کشیده می شود که ولتاژ یکسو شده از سطح ولتاژی که خازن به آن شارژ می شود بیشتر شود.خازن‌های لینک DC به صورت مکرر و مرتب درحال شارژ و دشارژ هستند، در مدتی که خازن‌ها شارژ می‌شوند جریان مورد نیاز موتور از طریق خط AC تامین می‌شود و زمانی که خازن‌ها در حال دشارژ شدن هستند، جریان موتور از طریق خازن‌ها تامین‌ می‌گردد، همین موضوع که درایو به صورت پیوسته از خط AC جریان دریافت نمی‌کند، باعث ایجاد هارمونیک در شبکه می‌شود.

VFDهای مدرن برای به حداقل رساندن این غیرخطی بودن با ارائه مبدل های خط چند پالس (12، 18 و 24 پالس)، مبدل های active front-end یا فیلترهای هارمونیک پسیو و راکتورهای خط در ورودی طراحی شده اند . شما میتوانید جهت آگاهی بیشتر در رابطه با این فیلتر ها مقاله ی روش های کاهش هارمونیک حاصل از درایو را مطالعه کنید.

جریان فقط زمانی جریان می یابد که ولتاژ یکسو شده از ولتاژی که خازن شارژ می شود بیشتر شود. بنابراین جریان “غیر خطی” (نه سینوسی) می شود.

سخن پایانی:

مبحث هارمونیک به طور کلی کمی پیچیده می باشد و شاید شما هم در دانشگاه و یا سایر مقالات و نوشته های موجود در سایت ها و منابع مختلف با آن دچار چالش شده باشید.ما سعی کردیم با بیان ساده و در عین حال ذکر مطالب اصلی شما را در آگاهی به این موضوع کمک کرده باشیم.

انتقادات و پیشنهادات شما ما را در بهبود عملکردمان کمک بسیاری خواهد کرد؛ شما دوست دارید مقاله بعدی راجب چه موضوعی باشد، در پایین همین صفحه انتقادات و پشنهادات خود را با ما درمیان بگذارید.

با آرزوی موفقیت و پیروزی

تیم الکتروسامه