هارمونیک چیست؟ تعریف ساده اعوجاج هارمونیکی در الکترومارکت

هارمونیک

هارمونیک چیست؟
اعوجاج هارمونیکی چیست؟

THD یا اعوجاج هارمونیکی کل یک پارامتر کیفی است که نشان‌دهنده میزان نزدیکی شکل موج یا سیگنال به شکل موج سینوسی است.

تعریف بالا یک تعریف کلی و تکراری از هارمونیک است که حتما در مقالات دیگر مشاهده کرده اید.

تیم مهندسی الکترومارکت قصد دارد تعریف ویژه تری از هارمونیک به شما دوستان عزیز ارائه دهد.

در مقالات قبلی در مورد اثرات مخرب هارمونیک ها توضیح کاملی داده بودیم و توصیه میشود مطالعه شود.

اغلب اوقات با مشاهده جدول مشخصات یک اینورتر، با عبارت سطح تولید THD یا اعوجاج هارمونیکی کل روبرو می‌شویم.

هدف از این مقاله ارائه مفهوم نظری و کاربرد عملی آن در صنعت اینورتر و اتوماسیون صنعتی  است.

در اینجا سعی بر این است که هر یک از عوامل ایجادکننده هارمونیک به‌طور جداگانه بیان شوند.

در این راستا نمودارهایی نیز ارائه‌شده است.

علاوه براین، تأثیرات انواع مختلف هارمونیک ‌های جریان و ولتاژ بر روی دستگاه‌های مختلف طوری ارائه‌شده است که الزامات حذف و کاهش هارمونیک ها را در سیستم مشخص سازد.

اعوجاج هارمونیکی

در ادامه پس از بررسی مزیت‌ها و معایب هارمونیک ها در مورد روش‌های حذف آن‌ها توضیح می‌دهیم و در پایان به نقش فیلتر ها در کنترل هارمونیک شبکه می‌پردازیم.

Total Harmonic Distortion THD

THD یا اعوجاج هارمونیکی کل یک پارامتر کیفی است که نشان‌دهنده میزان نزدیکی شکل موج یا سیگنال به شکل موج سینوسی است.

مقدار THD برحسب درصد نشان داده می‌شود و هرچقدر میزان THD کمتر باشد، شکل موج سینوسی کیفیت بهتری دارد
تجهیزاتی مانند PLC ، مانیتور های صنعتی HMI ، سنسور ها… می‌توانند سیگنال‌ها را بهتر تجزیه و تحلیل کنند.

به ‌عنوان مثال، اگر یک نوازنده ویلون بتواند یک نت را صاف و بدون نویز بنوازد، می گوییم که او یک سیگنال با اعوجاج هارمونیکی کمتری ایجاد کرده است.

نظریه سری فوریه

از نقطه نظر ریاضی طبق نظریه سری فوریه می توانیم هر شکل از موج متناوب را از مجموع سینوسی ها با مضرب های تناوب شکل موج اصلی ایجاد کنیم.

به عنوان مثال،

به شکل موج سمت چپ در شکل 1.1 نگاه کنید که دارای فرکانس تناوب 60Hz می باشد.

اگر از این سیگنال سری فوریه بگیریم، همانطور که در شکل 1.1 نشان داده شده، می توانیم آن را با استفاده از یک مجموع از سری سینوسی ها بازسازی کنیم.

در حقیقت، THD شکل موج بالا یک معیار عددی است.

بطور کل میزان هارمونیک های مورد نیاز را به غیر از مؤلفه 60Hz برای بازسازی شکل اصلی موج نشان می دهد.

رابطه محاسباتی THD یا هارمونیک

پس از این توضیحات مختصر در مورد مفهوم کلی THD، به رابطه محاسباتی آن می پردازیم.

به عنوان مثال، سیگنال فرضی F-t را با فرکانس f در نظر بگیرید.

وقتی از این سیگنال سری فوریه در فرکانس پایه f گرفته شود و مقدار موثر مؤلفه های ضرایب فرکانس پایه به ترتیب:

باشد، بنابراین مقدار THD سیگنال با استفاده از رابطه زیر به دست می آید:

استاندارد IEC 61000 3.3.24 در مورد هارمونیک

تعریف ارائه‌شده در بالا بر اساس استاندارد IEC 61000 3.3.24 می‌باشد که THD در آن به‌صورت نسبت مقدار مؤثر هارمونیک‌ها به مؤلفه پایه نشان داده می‌شود.

علاوه براین، ممکن است در مقالات دیگر نیز با مقدار THD یا عامل اعوجاج کل مواجه شده باشید

  بر اساس استاندارد IEC 61000 3.3.24 روش دیگری برای تعریف محاسبه مقدار هارمونیک های سیستم می‌باشد و به‌ عنوان نسبت مقدار مؤثر هارمونیک ها به مقدار مؤثر کل نشان داده می‌شود.

در بیشتر موارد، THD به‌عنوان درصدی از فاکتور اعوجاج و یا به‌صورت dB برای تضعیف اعواج نشان داده می‌شود.

عامل های تولید کننده هارمونیک

یکی از عواملی که موجب ایجاد هارمونیک می‌شود،
استفاده از عوامل و بارهای خطی در سیستم است که موجب تولید سیگنال‌های غیر سینوسی در جریان و ولتاژ در شبکه قدرت می‌شود.
که این خود به‌تنهایی اعوجاج را در موج اصلی جریان و ولتاژ پدید می‌آورد.

اعوجاج ولتاژ با افزایش بارهای غیرخطی در سیستم‌های قدرت ایجاد می‌شود که با توجه به امپدانس سیستم با حرکت به سمت بارها افزایش می‌یابد.

در ادامه به سه گروه اصلی از عوامل ایجادکننده هارمونیک می‌پردازیم.

گروه اول: مبدل‌های الکترونیکی برق

مبدل‌های الکترونیکی برق مانند یک‌سوسازها و اینورترها در این گروه قرار دارند.

به‌عنوان مثال:

جریان و هارمونیک منبع تغذیه سوئیچینگ که در ورودی یک شبکه دارای 30 کامپیوتر قرار دارد، در شکل 2=1 نشان داده‌شده است.

همان‌طور که در زیر نشان داده‌شده، جریان ورودی در شبکه‌هایی با بار غیرخطی کامپیوتری دارای هارمونیک بالایی است.

با در نظر داشتن هارمونیک بالا در جریان ورودی این بارها، می‌توان به لزوم استفاده از اینورترها با THD پایین

برای از بین بردن یا کاهش این هارمونیک ها پی برد.

گروه دوم: ابزارهای فرومغناطیسی

ترانس ها و دستگاه های الکتریکی در این گروه قرار دارند.

شکل هارمونیک جریان در حالت اشباع در شکل پایین نمایش داده شده است.

گروه سوم: دستگاه‌های تخلیه و مولد هارمونیک

لامپ‌های فلورسنت، کوره‌های القایی و لامپ‌های بخار سدیم در این گروه قرار دارند،
که شکل هارمونیک آن در زیر نشان داده‌شده است.

ازجمله عوامل دیگری که در تولید هارمونیک نقش دارند عبارت‌اند از:

شارژرهای باتری، بانک‌های خازنی، درایو های سرعت قابل تنظیم (PWM)، مبدل‌های فرکانس، رایانه‌ها، کوره‌های قوس الکتریکی و غیره که به‌عنوان یک مثال، شکل جریان و هارمونیک PWM در زیر آورده شده است.

درایو های سرعت قابل تنظیم

تأثیرات هارمونیک و اعوجاج هارمونیکی

اثرات مضر هارمونیک به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

• هارمونیک جریان

• هارمونیک ولتاژ

هارمونیک ها می توانند موجب اختلال در عملکرد سیستم های کنترل حفاظتی و ارتباطی، صدمات در ترانسفورماتورها، موتورها و رساناها، و افزایش جریان خازن ها شوند.

هارمونیک های ناشی از بارهای خطی بر روی بارهای مربوط به محل اتصال تاثیرگذارند.

اثرات عمده هارمونیک های ولتاژ بر دو دسته اند:

• گرم شدن بیش از حد ماشین ها و کابل های برق و الکتروموتور ها
• خراب شدن بانک های خازنی

اثرات هارمونیک های جریان نیز بر سه دسته اند:

• ایجاد اختلال در سیستمهای مخابراتی که میزان آن به اندازه و مسیر هارمونیک ها بستگی دارد.
• ایجاد خرابی بیش از حد در ترانس ها و دستگاه های برقی
• افزایش میزان خسارت در خطوط انتقال

برای موارد دیگر تاثیرات هارمونیک می توان به هارمونیک موجود در دستگاههای اندازه گیری اشاره کرد.
هارمونیک ها موجب اختلال در عملکرد رله ها، فیوزها، کلیدها و سیستم های کنترل از راه دور می شوند.

به طور کل می توان گفت که اثرات هارمونیک به چهار دسته طبقه بندی می شوند.

• تاثیر گرمایی بر تجهیزات
• تاثیر بر عایق تجهیزات
• تاثیر بر مدارهای ارتباطی

اختلال در عملکرد تجهیزات شبکه قدرت

حذف هارمونیک ها

استفاده از فیلتر یکی از رایج ترین روشها برای حذف هارمونیک است.

به عنوان نقش اصلی فیلترها می توان به ممانعت از جریانهای هارمونیک و کاهش آنها در مسیر اصلی اشاره کرد.

به طور کل، فیلترها به دو دسته Active و Passive تقسیم می شوند.

پیشنهاد میشود مطالعه شود: چگونه می توان از شر هارمونیک ها خلاص شد؟

هم اکنون به بررسی چند نمونه  فیلتر و روش های دیگری برای اصلاح اثرات منفی هارمونیک ها در سیستم می پردازیم.

• استفاده از مدارات PFC برای حذف هارمونیک های جریان و پس از آن کاهش هارمونیک ولتاژ در سیستم.
  وظیفه آنها کاهش اعوجاج و اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان به شکل یک شبیه ساز مقاومت است (Active Filter).
• افزودن فیلتر شنت به سیستم موجب تغییر در بازخوردمی شود و اغلب آن را بهبود می بخشد.
  فیلتر شنت موجب اتصال کوتاه هارمونیک های جریان در نزدیک منبع اعوجاج شده و در عین حال جریان هارمونیک را از بین می رود و بنابراین ضریب توان نیز تغییر پیدا می کند.
  علاوه براین، این روش با توجه به مقرون به صرفه بودن آن از رایج ترین فیلترهای مورد استفاده است.
• افزودن ترانسفورماتور یا رآکتور خطی به صورت سریالی تا حد زیادی هارمونیک ها را کاهش می دهد.
  برای این منظور، راکتور بین منبع تغذیه و خازن های اصلاح ضریب توان قرار می گیرد تا رزونانس های ایجاد شده بین خازن های اصلاح ضریب توان و اندوکتانس سیستم را بدون اینکه تغییری در ظرفیت خازن ها ایجاد کند از بین ببرد.
• تغییر دادن ظرفیت خازنی، که هزینه زیادی را برای سیستم برق شهری و مصرف کنندگان صنعتی در بر ندارد.
• بردن خازن به مکان دیگری از سیستم که امپدانس متفاوتی داشته باشد.
• در صورت قابل اجرا بودن این روش از نظر فنی، برداشتن خازن ها، پذیرش اتلاف بالا ، ولتاژ پایینتر و همچنین Power Factor Penalty در رده گزینه های مطلوب اقتصادی قرار می گیرند.
• با استفاده از کنترلرهای پیچیده و همچنین توسعه ادوات نیمه هادی می توان کنترل بیشتری را بر روی شکل موج های جریان ورودی و یا ولتاژ خروجی اینورتر اعمال کرد.
  شرکت الکترومارکت در این راستا همیشه پیشرو بودن در زمینه فن آوری های نوین را سرلوحه کار خود قرار داده است.

استانداردهای وضع شده هارمونیک ها

جریان‌های تزریق‌شدۀ هارمونیک (اعوجاج هارمونیکی) به سیستم توسط یک مصرف‌کننده می‌تواند دارای تأثیر منفی بر روی مصرف‌کنندگان دیگر باشد.

از این‌رو، استانداردهایی برای محدودیت میزان تزریق هارمونیک های جریان توسط هر یک از مصرف‌کنندگان ایجادشده است که حاکی از این است که مصرف‌کنندگان نباید اعوجاج ولتاژ نامناسبی را در سیستم ایجاد کنند.

علاوه براین، برای کل اعوجاج هارمونیکی ولتاژ تولیدشده توسط سیستم نیز محدودیت‌هایی وجود دارد.

با توجه به اینکه استاندارد IEC به‌طور دقیق‌تر و کامل‌تری مبحث هارمونیک های ولتاژ و جریان را موردبررسی قرار داده، و ازیک‌طرف صنایع ایران به‌طور روزافزونی به سمت استفاده از استانداردهای IEC پیش می‌رود و از طرف دیگر الکترومارکت نیز محصولات خود را طبق استاندارد IEC تولید کرده است،

مابه استاندارد IEC و قوانین مربوط به آن می‌پردازیم و استانداردهای مرتبط با محدودیت‌های هارمونیک را که شامل

استانداردهای IEC 61000-3-4، IEC 61000-3-2، و IEC 61000-2-2 هستند ، موردبحث قرار می‌دهیم.

لازم به ذکر است که این استانداردها پیش از 1997، به‌صورت استانداردهای IEC با سری‌های 1000 شماره‌گذاری می‌شدند.

به‌عنوان‌مثال،:

IEC 61000-2-2 به‌عنوان IEC 1000-2-2 نشان داده می‌شد.
به‌طور کل استانداردهای IEC بیشتر در بین کشورهای اروپایی رایج هستند.

ایران نیز هم‌اکنون از استانداردهای IEC در صنایع خود استفاده می‌کند.

بر اساس استاندارد IEC، تجهیزات به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

• گروه A: تجهیزات سه فاز و تجهیزات دیگری که در گروه‌های B،C و D قرار ندارند.
• گروه B: تجهیزات قابل‌انتقال
• گروه C: تجهیزات نوری مثل لامپ‌های فلورسنت
• گروه D: تجهیزاتی که دارای شکل موج خاصی در جریان ورودی خود هستند و توان اکتیو ورودی آن‌ها کمتر از 600W است.

استاندارد IEC دارای محدودیت‌های هارمونیک جریان و ولتاژ مجزایی برای هر یک از گروه‌های بالا هست.

محدوده استاندارد THD بر اساس استاندارد IEC 61000-2-2  کمتر از 8% است.

چکیده :

یکی از پرکاربردترین شاخص‌های کیفیت توان، مجموع اعوجاج هارمونیکی THD است.

علاوه بر ابهامات موجود در تعریف THD ،

در به‌کارگیری این شاخص در برخی از شرایط کار نیز مشکلاتی به وجود می‌آید.

به‌منظور رفع این ابهامات و مشکلات، در تعریف THD اصلاحاتی صورت گرفته و شاخص‌های جایگزینی معرفی‌شده‌اند.