اثرات هارمونیک چیست

پیش‌تر به صورت مفصل به هارمونیک پرداختیم، با این حال صحبتی از اثرات هارمونیک بر تجهیزات عمده در شبکه قدرت نشد، به همین دلیل در این پست می‌خواهیم نگاهی داشته باشیم به آثار هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی.

در این راستا، ابتدا به مرور مهمترین معادلات اثرات هارمونیکی می‌پردازیم و نگاهی خواهیم داشت به سیستم‌های نامتقارن و علت جاری شدن جریان هارمونیکی در سیم نول آنها، سپس به اثرات هارمونیک بر خازن و دلایل رخداد رزوناس و در مورد اینکه چرا حضور خازن سبب بدتر شدن اعوجاجات می‌گردد صحبت خواهیم نمود البته اثر خازن بر هارمونیک و دلیل انحراف جریان‌های هارمونیکی نیز مورد بحث قرار خواهد گرفت.

ماشین‌های آسنکرون قطعا مهمترین و پرکاربردترین ادوات الکتریکی می‌باشند پس نگاهی بر تاثیر هارمونیک بروی آنها و علل کاهش راندمان، افزایش تلفات و چگونگی ایجاد گشتاور معکوس خواهیم داشت، در این قسمت مدار معادل موتور القایی نیز ترسیم شده و نشان خواهیم داد چگونه هارمونیک‌ها سبب به حاشیه رفتن خاصیت مقاومتی این موتور می‌گردند، ژنراتورهای سنکرون نیز متاثر از هارمونیک هستند چرا که این اعوجاجات سبب به وجود آمدن نوسانات مکانیکی در آنها شده و در عملکرد آنها تاثیر مخربی بجای می‌گذارد.

ترانسفورماتورها و تاثیرات جریان و ولتاژ هارمونیکی آنها که به ترتیب؛ تلفات و تنش عایقی را به دنبال دارند موضوع بعدی خواهد بود و از آنجایی که رله‌های حفاظتی وظیفه‌ای بسیار حیاتی در شبکه ایفا می‌کنند تاثیر پذیری آنها و علت ایجاد نیروهای مزاحم میان ورقه‌های اتصال دهنده را با معادلات اثبات خواهیم نمود، در پایان نیز تاثیرات هارمونیک بر سایر ادوات الکتریکی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند؛

  • اثر هارمونیک بر خازن
  • اثر خازن بر روی هارمونیک
  • اثر هارمونیک بر ماشین‌های آسنکرون
  • اثر هارمونیک بر ماشین‌های سنکرون
  • اثر هارمونیک بر ترانسفورماتور
  • اثر هارمونیک بر عملکرد رله ها
  • تاثیر هارمونیک بر کلیدهای قدرت
  • اثر هارمونیک بر عایق
  • اثر هارمونیک بر فیوزها
  • اثر هارمونیک بر سیستم‌های مخابراتی
  • اثر هارمونیک بر وسایل اندازه گیری
  • تاثیرات دیگر هارمونیک ها
  • سخن پایانی
  • منابع

اعوجاجات هارمونیكی به‌صورت جریان‌های هارمونیكی توسط بارهای غیر خطی به بقیه شبكه تزریق شده و با توجه به امپدانس شبكه، ‌به‌صورت اعوجاجات ولتاژ به تجهیزات مختلف اعمال می‌شود. لذا تجهیزاتی که در شبکه‌های آلوده به هارمونیک، مورد بهره‌برداری قرار گرفته اند عمدتا در معرض عوجاجات ناشی از هارمونیک‌ها هستند به همین دلیل باید تاثیرات این اعوجاج‌ها بر تجهیزات را مورد بررسی قرار دهیم و در این راستا روش هایی را به منظور كاهش اینگونه تاثیرات ارائه نماییم. اعوجاجات هارمونیكی دارای اثرات متفاوتی بر روی تجهیزات و سیستم‌های الكتریكی می‌باشند که در ادامه با مروری کوتاه بر معادلات آن بیشتر صحبت خواهیم کرد؛

فرض می‌کنیم یک جریان هارمونیکی از یک شبکه توزیع سه فاز مدل شده عبور نماید. برای یک شبکه n شینه تلفات اکتیو   برای هر مرتبه هارمونیک بیان می‌شود که برابر با مجموع تلفات اکتیو تزریقی می‌باشد.

(1-1)

Pn تلفات اکتیو تزریقی به شینه nام از رابطه 2-1 محاسبه می‌شود:

  (1-2)

(1-3)

معادله 3-1 نشان می‌دهد اطلاعاتی درباره؛ دامنه و فاز جریان، ولتاژ هارمونیکی منبع تغذیه و بار هر باس برای محاسبه تلفات اکتیو با هر مرتبه هارمونیک مورد نیاز می‌باشد. بطور کلی تلفات اکتیو از رابطه 4-1 بدست می‌آید.

(1-4)

مربوط به تلفات اكتیو هارمونیك اصلی بوده و قسمت  مرتبط با تلفات اکتیو سایر هارمونیک می‌باشد.

(1-5)

در یک محیط هارمونیکی رابطه بین جریان هارمونیکی و جریان فرکانس اصلی مطابق رابطه 7-1 می‌باشد:

  (1-6)

  (1-7)

 با جایگزینی معادله 7-1 در 5-1 رابطه بین تلفات اکتیو اصلی و تلفات هارمونیکی به‌صورت ذیل ارائه می‌گردد:

  (1-8)

به عبارت دیگر هرچه THD بیشتر باشد تلفات در حالت تغذیه هارمونیکی نسبت به تلفات با موج سینوسی خالص بیشتر خواهد بود. تلفات توان اکتیو متناسب با جریان اصلی می‌باشد. لذا در حالتی که جریان هارمونیکی از باری کشیده شود، مقدار جریان و ولتاژ هارمونیکی از حالت اصلی بیشتر می‌شود شکل 1-1 نشان می‌دهد با افزایش THD مقدار جریان هارمونیکی و تلفات اکتیو افزایش می‌یابد.

شكل (1-1) نسبت THD  به مقدار جریان هارمونیك

وجود هارمونیک باعث می‌شود ادارات و کارخانجات نتوانند کار خود را به‌درستی انجام دهند، به عنوان مثال اثر هارمونیک در مدار سه فازه به‌صورت افزاینده‌ای در نول اثر گذاشته و سبب اختلال در سیستم‌های حفاظتی می‌گردد.

شرایط غیر بالانس نامتقارن سیستم

هنگامی که بار نامتقارن یا سیستم قدرت نامتقارن باشد تمام هارمونیک‌ها می‌توانند شامل مولفه‌های مرتبه‌های مختلفی شوند.

  (1-9)

در اکثر مواقع قوانین حالت متعادل در هارمونیک‌ها برقرار می‌باشد با این حال در زمان هایی که شاهد عدم تقارن در شبکه باشیم گردش بیش از حد هارمونیک در سیستم 3 فاز به‌صورت افزاینده‌ای در نول اثر خواهد نمود. و از آنجایی که هارمونیک‌ها مضارب صحیحی از فرکانس اصلی به شمار می‌آیند، در اختلاف فاز 120 درجه، هارمونیک بین اعداد متفاوتی شیفت پیدا می‌کنند که درنهایت سبب پوشش تمام رنج 360 درجه می‌گردد.

این پوشش زاویه‌ای هرچه بیشتر باشد کار را سخت‌تر خواهد نمود، در شکل 1-2 تاثیر هارمونیک سوم بروی یک سیستم سه فاز نامتقارن را مشاهده می‌نمایید.

شكل (1-2) هارمونیك سوم در فاز a,b,c

اصولا هارمونیک‌های ایجاد شده توسط بارهای غیر خطی می‌توانند بر دیگر بارهای مرتبط در محل اتصال تاثیر زیادی بگذارند. اعوجاج‌های ولتاژی که توسط اعوجاج‌های جریان ایجاد می‌شود تابعی از امپدانس سیستم و میزان جریان اعوجاج یافته است. بنابراین اگر امپدانس سیستم کم باشد اعوجاج ولتاژ ناچیز خواهد بود.

اصولاً اعوجاج ولتاژ دو اثر اصلی از بجای می‌گذارد:

  • گرم شدن اضافی ماشین ها
  • خرابی بانک‌های خازنی

هارمونیک‌های جریان دارای اثرات متفاوتی می‌باشند. وقتی هارمونیک جریان زیاد باشد و در یک مسیر موازی با سیستم‌های مخابراتی قرار داشته باشد باعث ایجاد تداخلات می‌گردد.

به صورت کلی میزان تداخلات بستگی به مسیر و اندازه هارمونیک‌ها در شبکه قدرت دارد

هارمونیک جریان باعث ایجاد تلفات اضافی سرگردان در ترانسفورماتورها شده و از سوی دیگر تلفات را در خطوط انتقال افزایش می‌دهد.

علاوه بر این هارمونیک‌ها باعث عملکرد نامناسب رله ها، کلیدها، فیوزها، سیستم‌های فرمان از راه دور و دیگر وسایل و تجهیزات مورد استفاده در شبکه می‌گردند.

بطور کلی اثرات هارمونیکها را می‌توان به سه دسته اصلی تقسیم نمود:

  1. اثرات بر عایق‌های تجهیزات
  2. اثرات گرمایی بر تجهیزات
  3. عملکرد نا مناسب تجهیزات 

بررسی اثر هارمونیک‌ها بر تجهیزات شامل موارد زیر می‌باشد:

  • اثر هارمونیک بر خازن ها
  • اثر هارمونیک بر روی لامپ‌های روشنایی و المان‌های حرارتی
  • اثر هارمونیک بر ماشین‌های القایی (اندکسیونی)
  • اثر هارمونیک بر ماشین‌های سنکرون
  • اثر هارمونیک بر ترانسفورماتورها
  • اثر هارمونیک بر رله ها
  • اثر هارمونیک بر وسایل اندازه گیری
  • اثر هارمونیک بر کلیدها
  • اثر هارمونیک بر عایق ها
  • اثر هارمونیک بر فیوزها
  • اثر هارمونیک بر سیستم‌های مخابراتی

اثر هارمونیک بر خازن

نمونه از خازن های نصب شده در شبکه

نمونه‌ای از خازن‌های نصب شده در شبکه

تجهیزات سیستم‌های قدرت اغلب تحت تاثیر هارمونیک ولتاژ هستند. از مهمترین تجهیزاتی که تحت تاثیر هارمونیک ولتاژ قرار می‌گیرند خازن‌های مورد استفاده در شبکه به منظور تصحیح ضریب قدرت می‌باشند. گرم شدن خازن ناشی از اضافه جریان شدید یکی از مواردی است که باعث آسیب رسیدن به خازن‌ها می‌گردد. بالا بودن جریان ورودی به خازن حتی در صورت کم بودن هارمونیک ولتاژ امکان پذیر است، زیرا امپدانس خازن با عکس فرکانس در ارتباط است، در این حالت با افزایش فرکانس، امپدانس کل کاهش یافته و درنهایت طبق رابطه ساده V=IZ، جریان ورودی افزایش خواهد یافت.

(1-10)

مسئله دیگری که در عملکرد خازن‌ها ممکن است پدید آید مشکل عایقی است. زیرا اضافه ولتاژ ناشی از هارمونیک‌ها ممکن است بحدی برسد که بر خازن تاثیر بگذارد، عموماً خازن‌ها حساس‌ترین عنصر در شبکه می‌باشند و اضافه ولتاژ آنها معمولا نباید از 20 درصد ولتاژ پیک نامی بیشتر گردد. هارمونیک ولتاژ باعث می‌شود تا خازن با جریان و ولتاژی که متناسب با فرکانس هارمونیک می‌باشد تحریک شود و این جریان سبب تلفات می‌شود.

استاندارد IEC6083-1 اعلام می‌کند که جریان هارمونیکی عبوری از خازن نباید بیشتر از 1.3 جریان نامی باشد در غیر اینصورت بایستی خازن با ظرفیت بالاتر نصب گردد.

خازن‌ها مولد هارمونیک نیستند ولی بکارگیری خازن در شبکه هایی که دارای هارمونیک جریان یا ولتاژ است موجب بروز تشدید در شبکه برق می‌شود.

راکتانس خازنی با افزایش فرکانس کاهش و راکتانس سلفی با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد. درنتیجه، فرکانس خاص تشدید رخ می‌دهد. هنگام بروز پدیده تشدید (مدار سری یا موازی LC) دامنه جریان سلف یا ولتاژ دو سر خازن ممکن است بسیار زیاد شود. استفاده از خازن در شبکههای توزیع عموما برای تصحیح ضریب قدرت و پایداری ولتاژ می‌باشد و هر دو نوع اتصال سری یا موازی خازن‌ها یا ترکیبی از آنها ممکن است در شبکه موجود باشد. در مورد مدار سری در فرکانس رزونانس، امپدانس کل شبکه به امپدانس مقاومت موجود در مدار کاهش می‌یابد و در صورت کوچک بودن این مولفه مقاومتی جریان‌های بسیار زیادی از مدار عبور می‌کنند.

 در مدارهای موازی، فرکانس رزونانس امپدانس کل شبکه بسیار زیاد است و درنتیجه (ناشی از یک تحریک بسیار کوچک) جریان چرخشی زیادی بین سلف و خازن عبور کرده و سبب ازدیاد ولتاژ در دو سرشبکه می‌شود.

لذا در صورتیکه فرکانس رزنانس شبکه به یکی از هارمونیک‌های ایجاد شده در مدار نزدیک باشد، جریان یا ولتاژ بسیار بزرگی در شبکه هارمونیک دار تولید می‌شود، که چنین پدیده‌ای موجب خرابی بانک خازنی، عملکرد ناصحیح و مکرر فیوزهای خازن و شکست عایقی در کابلها می‌گردد.

عملکرد خازن در محیط هارمونیکی

طی بررسی که توسط نرم افزار دیگسایلنت بروی یک شبکه هارمونیکی انجام گرفت؛ یک شبکه بدون هیچ گونه بانک خازنی عمدتا اعوجاج کمی در خود خواهد داشت.

در ادامه بخوانید  آموزش نرم افزار دیگسایلنت

و به محض اینکه جهت جبرانسازی توان راکتیو از بانک خازنی استفاده نمودیم (بانک خازنی نیز پس از محاسبه خازن مدنظر در شبکه قرار گرفت)، اعواج در شکل موج ولتاژ روبه افزایش گذاشت.

با توجه به پخش بار صورت گرفته؛ با افزایش خازن در شبکه‌های هارمونیکی (که در حالت عادی خاصیت سلفی دارند) در یکی از فرکانس‌ها تشدید صورت می‌گیرد و هر مقدار خازن افزایش یابد فرکانس تشدید به فرکانس قدرت نزدیکتر می‌شود که در این حالت شاهد اثرات مخربی بروی شبکه خواهیم بود.

اثر هارمونیک‌ها بر تلفات دی الکتریک خازن ها

برخی از دوستان در مورد تاثیر هارمونیک بروی دی الکتریکی خازن سوال کرده بودند، این تلفات به سادگی با استفاده از معادله زیر قابل استخراج می‌باشد؛

در معادله بالا؛

  • C: ظرفیت خازن بر حسب فاراد  
  • h: ضریب hام تلفات در هارمونیک 
  • V: ولتاژ هارمونیک hام

حال اگر ضریب تلفات را مستقل از فرکانس در نظر بگیریم خواهیم داشت؛

در نتیجه تلفات دی الکتریک برابر خواهد شد با؛

تلفات دی الکتریک یک خازن که از موج سینوسی با مقدار موثر VR تغذیه می‌شود، برابر خواهد بود با:

در این صورت نسبت بین تلفات در موج سینوسی و تلفات در موج غیرسینوسی برابر معادله خواهد گشت که اگر آن را ساده‌تر کنیم در نهایت به رابطه زیر می‌رسیم، این رابطه نمایش دهنده تاثیر هارمونیک بروی تلفات نسبت به یک سیستم در حالت عادی می‌باشد.

درصورت تمایل می‌توانید با استفاده از مقالات چاپ شده، تلفات عایقی را نیز در این معادلات اثر دهید.

اثر خازن بر روی هارمونیک

خازن‌ها تجهیزاتی هستند که تولید هارمونیک نمی نمایند، لیکن بر روی هارمونیک‌های موجود ناشی از عوامل غیر خطی و ادوات فکتس تاثیرات خاصی را بر جای می‌گذارند که لازم است بر روی آنها مطالعه شود.

اولین تاثیر خازن منحرف کردن مسیر هارمونیک جریان از مسیر اصلی یعنی از روی عوامل تولیدکننده هارمونیک به سوی شبکه می‌باشد. بدون خازن اصولا سیستم‌ها سلفی هستند. این مسئله حتی در فرکانس‌های هارمونیکی صدق می‌کند، اما هنگامیکه خازن‌ها در یک مدار سلفی واقع می‌شوند امکان دارد باعث ایجاد رزونانس در فرکانس طبیعی سیستم گردند.[1]

   اصولا دو نوع رزونانس ناشی از خازن به وجود می‌آید؛

  • رزونانس موازی
  • رزونانس سری

رزونانس موازی

در فرکانس رزونانس، ترکیب موازی بانک خازنی و رآکتانس شبکه (منبع تولید) سبب ایجاد یک امپدانس بزرگ می‌گردد. در این صورت اگر هارمونیک جریانی به این امپدانس تزریق شود ولتاژ اعوجاج دار بزرگی به دلیل بالا بودن امپدانس ظاهر خواهد شد. در شکل 3-1 نحوه ایجاد تشدید موازی نشان داده شده است.

ولتاژ هارمونیکی بزرگ سبب تولید هارمونیک جریان در بانک خازنی و رآکتانس منبع می‌شود به عبارت دیگر اثر رزونانس به صورت تقویت هارمونیک جریان تزریق شده ظاهر می‌گردد. در چنین حالتی ولتاژ دو سر خازن آنقدر زیاد شده که درنهایت سبب آسیب به خازن می‌گردد.

اثر خازن‌ها به تیزی حالت رزونانس نیز وابسته دارند. بارهای مصرفی فاکتور اصلی در کاهش دادن اغتشاش هارمونیک در شرایط رزونانس است. در صورتی که سطح بار افزایش یابد میزان تقویت در شرایط رزونانس به دلیل اینکه مسیری با امپدانس کمتری در برابر جریان هارمونیکی  ایجاد می‌شود کاهش می‌یابد.

شکل (3-1) حالتی که سبب ایجاد تشدید موازی می‌گردد

رزونانس سری

تشدید سری نتیجه تركیب سری بانك‌های خازنی با خط یا اندوكتانس ترانسفورمرها می‌باشد. این مسئله زمانی که خازن‌ها در انتهای مسیر بر روی فیدر قرار دارند پدید می‌آید. شکل 4-1 حالت تشدید سری را نمایش می‌دهد. تشدید سری باعث ایجاد یك مسیر با امپدانس كوچك در برابر جریان‌های هارمونیكی شده و به اصطلاح كلیه جریان‌های هارمونیكی هم مرتبه با مقدار تنظیمی خودش را به تله انداخته و از نفوذ آنها در سایر قسمت‌های شبكه جلوگیر می‌نمایند. تشدید سری می‌تواند باعث ایجاد مقادیر زیادی اعوجاج ولتاژ در خازن و سلفی كه در مدار به صورت سری قرار گرفته اند، گردد.

شکل (4-1) حالتی که سبب ایجاد تشدید سری می‌گردد

 در تشدید سری بر خلاف تشدید موازی، هارمونیك جریان تقویت نمی گردد.[2] اما جریان
می تواند در موارد زیر آثار نامطلوبی را در پی داشته باشد:

  • اگر خطی در شرایط رزونانس سری قرار گرفته باشد و خطوط مخابراتی نیز با آن موازی باشند آنگاه در چنین حالتی تداخلات شدیدی می‌تواند بروز نماید.
  • اعوجاج ولتاژ هارمونیکی به دلیل تمرکز هارمونیک جریان در مسیر رزونانس پدید می‌آید.

اثر هارمونیک بر ماشین‌های آسنکرون

موتورهای القایی در مقابل اعوجاج هارمونیکی ولتاژ آسیب پذیر می‌باشند. اعوجاج هارمونیکی ولتاژ در ترمینال‌های ورودی موتور به هارمونیک فوران در داخل موتور منجر می‌شود. فوران‌های هارمونیکی در ایجاد گشتاور مشارکتی نمی کنند ولی چون با سرعتی متفاوت با فرکانس اصلی به گردش در می‌آیند در نتیجه جریان‌های با فرکانس بالا در رتور ایجاد می‌کنند. اثر هارمونیک‌ها روی موتورهای آسنکرون شبیه به اثر جریان توالی منفی در فرکانس اصلی می‌باشد. بنابراین فوران‌های اضافی علاوه بر افزایش تلفات مشکلات دیگری را نیز بوجود می‌آورند. کاهش راندمان همراه با گرم شدن، لرزش و نویز از عوارض اعوجاج هارمونیک ولتاژ در موتورها می‌باشند.

در فرکانس‌های هارمونیکی، موتورها را با راکتانس رتور قفل شده که به خط، متصل است نمایش می‌دهند. مولفه‌های مرتبه پائین هارمونیکی ولتاژ که دامنه بزرگی داشته و امپدانس ظاهر شده آن کوچک می‌باشد برای موتورها دارای اهمیت بیشتری است.

اگر اعوجاج ولتاژ در محدوده تعریف شده توسط استاندارد هارمونیک‌های مجاز در شبکه برق ایران قرار بگیرد نیازی به تغییر ظرفیت موتورها نخواهد بود. مقادیر داده شده در این استاندارد به قرار زیر است:

%5= THD و نیز دامنه هر مولفه هارمونیکی فرد باید کمتر از 3% باشد.[3]

هنگامیکه اعوجاج ولتاژ 5 تا 10 درصد و یا بیشتر شود تلفات حرارتی اضافی در موتور القایی ایجاد مشکل می‌کند. برای افزایش طول عمر ماشین القایی چنین اعوجاجی را باید تصحیح نمود و کاهش داد.

تاثیر هارمونیک بر مدار معادل ماشین القایی

هارمونیک‌ها بر عملکرد و تلفات موتورهای القایی تاثیر زیادی دارند با توجه به مدار معادل موتورهای آسنکرون، می‌توان تلفات و رفتار موتور را زمانی که شکل موج تغذیه آن سینوسی بوده با حالتی که دارای اعوجاج می‌باشد، مقایسه نمود.

دیاگرام تك خطی ماشین آسنكرون

در صورتی که ولتاژ تغذیه موتور دارای هارمونیک باشد مدار معادل موتور در برابر مولفه‌های دیگر ولتاژ به صورت زیر خواهد بود.

مدار معادل ماشین آسنكرون

در مدار معادل شکل بالا می‌توان از Rhs و Sh/Rhr در مقابل Lhs و Lhr صرف نظر نمود زیرا فرکانس موج ولتاژ هارمونیک بالا می‌باشد و اندوکتانس تاثیر بیشتری را در مدار معادل بوجود می‌آورد. در نتیجه مدار معادل ماشین آسنکرون سه فاز به‌صورت شکل زیر خلاصه می‌گردد.

مدار معادل ساده شده ماشین آسنكرون تحت هارمونیک

درنهایت این موضوع سبب خواهد شد که موتور القایی به صورت کامل به شکل یک سلف عمل کرده و در پی آن افزایش تقاضای توان راکتیو رخ خواهد داد، از سوی دیگر این هارمونیک‌ها سبب بهم خوردن میدان مغناطیسی گردشی در موتور شده که این پدیده موجب ایجاد گشتاورهای مزاحم بروی رتور می‌شود.[4]

اثر هارمونیک بر ماشین‌های سنکرون

هارمونیک‌ها میزان امپدانس ماشین سنکرون را تغییر می‌دهند در صورتیکه موج جریان دارای هارمونیک باشد امپدانس ماشین در برابر هر هارمونیکی برابر با امپدانس زیرگذاری ماشین ضربدر شماره هارمونیک خواهد بود.

مسئله دیگری که هارمونیک جریان ایجاد می‌نماید تاثیر مکانیکی بر توربین و ژنراتور می‌باشد. در این حالت نوسانات مکانیکی بدلیل گشتاور پالسی ناشی از تداخل بین جریان‌های هارمونیکی و مولفه میدان اصلی ایجاد می‌گردد که باعث آسیب رسیدن به محورها می‌شود.

از طرف دیگر در صورتیکه فرکانس موج هارمونیکی به نحوی باشد که تولید نوسانات پالسی کند و فرکانس این نوسانات با فرکانس‌های طبیعی مکانیکی ترکیبی از ژنراتور توربین، برابر شود آنگاه شرایط تشدید فراهم می‌آید و باعث اشکالات عمده‌ای بر محور توربین ژنراتور می‌گردد.

اثر هارمونیک بر ترانسفورماتور

درحال تست ترانسفورماتور قدرت

درحال تست ترانسفورماتور قدرت

اساسا ترانسفورماتورها برای فرکانس نامی و جریان سینوسی کامل طراحی و ساخته شده و در این بین نیز گوشه چشمی هم به سایر مسائل مانند حفاظت، جریان هجومی و … خواهیم داشت. مسلما تغذیه بارهای غیر خطی توسط ترانسفورماتور منجر به تلفات بیشتر، پیری زودرس عایق‌ها و نهایتا کاهش عمر مفید ترانسفورماتورها می‌شود.

عمده ترین مسائل از بعد هارمونیک در ترانسفورماتور شامل موارد زیر می‌شود؛

  • جریان هارمونیکی: سبب افزایش تلفات مسی و گردابی می‌شود. 
  • ولتاژ هارمونیکی: سبب افزایش تلفات هیسترزیس می‌شود.

به عبارت دیگر تلفات در سیم پیچ متناسب با توان دوم THDi است ولی تلفات هسته رابطه خطی با THDv دارد.

اجازه دهید نگاهی به تاثیر هارمونیک بر جریان و ولتاژ ترانسفورماتور داشته باشیم؛

هارمونیک‌های جریان

از مهمترین آثار هارمونیک بر جریان ترانسفورماتور می‌توان به؛ افزایش تلفات اهمی، تداخل الکترومغناطیسی با مدارهای مخابراتی و تاثیر بر روی تلفات هسته اشاره نمود.

تلفات ترانسفورماتور

وجود هامونیک‌های جریان گردشی در سیم پیچ‌های ترانسفورماتور افزایش تلفات افزایش درجه حرارت و درنتیجه کاهش بازده را به همراه خواهد داشت. تاثیرات هارمونیک بر تلفات ترانس توسط رابطه زیربیان می‌شود:

  (1-11)

Rn: مقاومت سیم مسی در فرکانس nام

Pfe: تلفات آهنی در فرکانس اصلی

برای فرکانس‌های مختلف، Rn از معادله (12-1) بدست می‌آید:

  (1-12)

جدول (1-1) مقدار تقریبی برای مفروضات معادله (12-1)

 معادله ساده شده (13-1) تلفات در ترانس را نشان میدهد:

(1-13)

برای راحتی محاسبات، استفاده از مقادیری بشرح جدول زیر (2-1) که حاصل اندازه گیری‌های صورت گرفته می‌باشد پیشنهاد می‌گردد:

 جدول (2-1) مقدار تقریبی ضرایب منتج از اندازه گیری

مثال: ترانسفورماتور KVA200 با سطح ولتاژ 20KV/400V مطابق مشخصات جدول (3-1) و بارهای غیرخطی که در جدول (4-1) آورده شده را درنظر می‌گیریم، این ترانسفورماتور با شرایط مفروضی در نرم افزار دیگسایلنت شبیه سازی شده است،

جدول (3-1) مشخصات ترانس (KVA200) و بار هارمونیكی
جدول (4-1) مقدار بار هارمونیكی برای مقایسه

 پس از شبیه سازی، همانگونه که در جدول (5-1) مشاهده می‌نمایید تفاوت فاحشی بین عملکرد تحت بارخطی و غیرخطی مشهود است؛

 جدول (5-1) نتایج حاصل از شبیه سازی
منحنی تغییرات دمای روغن ترانس برحسب زمان برای بارخطی
منحنی تغییرات دمای روغن ترانس برحسب زمان برای بارغیرخطی

 نتایج جدول (5-1) و شکل‌های بالا مبین آن است که هارمونیک سبب افزایش تلفات، کاهش راندمان، افزایش درجه حرارت روغن و کاهش بارگیری موثر ترانس می‌شود. همچنین هر تغییری در جریان هارمونیکی بار منجر به تغییر ضریب تلفات هارمونیکی و در نتیجه تغییر تلفات ترانسفورماتور می‌شود.[5]

تداخل الکترومغناطیسی با مدارهای مخابراتی

هارمونیک‌های جریان در اطراف هادی‌های خطوط انتقال هارمونیک‌های شاربا فرکانس‌های متفاوت ایجاد میکنند.این هارمونیک‌های شار مغناطیسی نیروهای محرکه الکتریکی در مدارهای مخابراتی که به موازات خطوط انتقال کشیده شده‌اند القا می‌کنند و در نتیجه تداخل ایجاد می‌شود برای مثال در یک ترانسفورماتور ستاره-ستاره با چهار سیم تغذیه هارمونیک‌های مضرب 3می توانند در خطوط جاری شوند وبنابراین تداخل در مدارهای مخابراتی مجاور ایجاد میکنند این تداخل القایی در حالی که از سیم پیچ کمکی استفاده میشود ممکن است باعث عملکرد غلط وسایل حفاظتی گردند.

 تاثیر بر روی تلفات هسته

موقعی که موج نیروی محرکه ی الکتریکی قله دار باشد موج شار به صورت صاف می‌گردد. بنابر این تلفات پسماند که تقریبا متناسب با مجذور شار است کاهش میابد اما تلفات فوکو که متناسب با مجذور نیروی محرکه الکتریکی است افزایش میابد از انجا که تلفات پس ماند بخش عمده‌ای از تلفات هسته را تشکیل می‌دهد در مجموع تلفات هسته کاهش میابد اما اگر موج نیروی محرکه ی الکتریکی صاف شود تلفات هسته افزایش می‌یابد باید به این نکته توجه کرد که وقتی هارمونیک‌های سوم جریان در سیم پیچی ترانسفورماتور جاری نمی شوند موج شار سر صاف است.

 هارمونیک‌های ولتاژ

از مهمترین آثار هارمونیک بر ولتاژ ترانسفورماتور می‌توان به؛ تنش ولتاژ روی عایق، تداخل الکترواستاتیکی با مدارهای مخابراتی و ولتاژهای تشدید بزرگ اشاره نمود.[6]

تنش ولتاژ روی عایق

در برخی اوقات ولتاژ سیم پیچی‌ها از مقدار اسمی شان تجاوز می‌کند اگر این حالت اتفاق افتد عایق ترانسفورماتورها دارای تنش ولتاژ بالا شده که درنتیجه افزایش تلفات عایقی را به همراه دارد، در این حالت عمر عایق کوتاه می‌شود و راندمان ترانسفورماتور کاهش خواهد یافت.

برای مثال در ترانسفور ماتور ستاره – ستاره بدون سیم خنثی عمر عایق کوتاه و کارایی آن کاهش می‌یابد.

ولتاژهای تشدید بزرگ

اگر در صورت وجود هارمونیک در شبکه یک ترانسفورماتور ستاره – ستاره با اتصال خنثی، ثانویه را به کابل یا خط انتقال بلند متصل نماییم ممکن است پدیده تشدید رخ دهد، این پدیده به صورت کلی می‌تواند آسیب‌های جبران نشدنی را به همراه داشته باشد.

تداخل الکترواستاتیکی با مدارهای مخابراتی

از دیگر مواردی که امروزه کمتر رخ می‌دهد، تداخل الکترواستاتیکی ناشی از هارمونیک با مدارهای مخابراتی می‌باشد، امروزه به دلیل عایق سازی و ایزوله سازی بسیار خوب این پدیده کمتر از گذشته در شبکه برق پدیدار می‌شود.

اثر هارمونیک بر عملکرد رله ها

بطور کلی رله‌ها وسایل حفاظتی هستند که بخشی از سیستم را که خطا در آنجا رخ داده است از بقیه شبکه ایزوله می‌نمایند بطوریکه بقیه سیستم به طور عادی کار خود را دنبال نماید. تحت چنین عملکردی سیستم حفاظتی باید قادر به تشخیص حالت عادی و وجود خطا در سیستم باشد و به نحوی طراحی شده باشد که فقط در مقابل وجود خطا عکس العمل نشان دهد. با چنین دیدی از عملکرد رله‌ها هر عاملی که سبب تاخیر و تسریع بی مورد عملکرد رله‌ها گردد مشکلات زیادی را برای شبکه‌های توزیع به همراه خواهند داشت.[7]

عوامل تاثیر گذار بر عملکرد نامناسب رله‌ها عبارتند از؛

  • تنظیم نامناسب رله
  • تنظیم نامناسب رله در ارتباط با دیگر رله ها
  • تاثیر هارمونیک‌ها بر روی رله ها

اثر هارمونیک بر روی رله می‌تواند ناشی از هارمونیک ولتاژ یا هارمونیک جریان باشد.

رله‌ها با توجه به سیستم عملکردشان به یک نوع هارمونیک و یا هر دو نوع هارمونیک حساس می‌باشند. هر کجا که هارمونیک جریان وجود داشته باشد این هارمونیک به علت عبور از امپدانس مسیر، تولید هارمونیک ولتاژ می‌نماید و هر جا نیز هارمونیک ولتاژ وجود داشته باشد در بارها هارمونیک جریان ایجاد می‌کند.

استاندارد هایی که به منظور تست رله استفاده می‌شوند معمولا موج سینوسی بدون هارمونیک را پیشنهاد می‌کنند. رله‌های استاتیکی که بایستی به مقدار موثر جریان حساس باشند معمولا بر اساس اندازه گیری پیک موج جریان کار می‌کنند یعنی باتوجه به سینوسی بودن موج، مقدار موثر آن را محاسبه می‌نمایند.

اگر شکل موج جریان دارای هارمونیک باشد مقدار موثری را که رله جهت حفاظت محاسبه می‌کند صحیح نبوده و سبب ایجاد خطا در عملکرد رله خواهد شد

عکس العمل رله‌ها در مقابل هارمونیک به طور کلی به صورت موارد زیر می‌باشد:

در برخی رله‌های اضافه جریان، عملکرد رله بستگی به شکل موج جریان داشته و تنها درصد میزان هارمونیک موثر نیست. به‌عبارت دیگر اگر موج هایی که دارای میزان هارمونیک یکسانی می‌باشند ولی شکل موج آنها متفاوت از هم بوده و به اینگونه رله‌ها اعمال شوند قطعا پاسخ‌های رله متفاوت خواهد بود. بنابراین نمی توان تنها با استفاده از درصد میزان هارمونیک‌ها عملکرد رله را مورد بررسی قرار داد.

عملکرد عادی رله

رله‌های اضافه جریان مانند رله اضافه ولتاژ از نمونه رله‌های القایی بوده که از مدل اصلاح شده گشتاور میسون تبعیت می‌کند. بنابراین این رله نیاز به گشتاور مثبت جهت عملکرد دارد، نحوه عملکرد این رله‌ها به این صورت بوده که ایجاد نیرو در رله‌های دیسکی الکترومکانیکی سبب ایجاد گشتاور متحرک در دیسک می‌گردد.

برای درک بهتر؛ در دو زمان متغیر فلوهای ایجاد شده در فرکانس یکسان با اختلاف فاز  به‌صورت عبارت (14-1) و (15-1) خواهند بود؛

    (1-14)  

  (1-15)  

شكل (5-1) نمایش گشتاور تولیدی در رله‌های الكترومغناطیسی

هر فلو سبب القای ولتاژ در اطراف خود می‌گردد و از آنجایی که گردش جریان در رتور چرخان تحت تاثیر دو ولتاژ می‌باشد فلو ایجاد شده توسط جریان در برابر گردش جریان‌های دیگر عکس العمل نشان می‌دهد و موجب عملکرد نامناسب می‌گردد.

باتوجه به اینکه جریان دیسک، اندوکتانس خودی ناچیز تولید می‌کند، جریان و ولتاژ را هم فاز در نظر می‌گیریم.

این مسائل سبب ایجاد نیروی مکانیکی در جهت خلاف و بین دو دیسک می‌گردد، این نیرو به صورت معادله (16-1) بدست می‌آید؛

  (1-16)

 همانگونه که مشهود است اختلاف فاز سبب ایجاد نیرو شده و به صورت کلی رله به شکلی نرمال عمل خواهد نمود.

عملکرد رله تحت هارمونیک

موارد بالا در حالت فرکانس اصلی بدست آمده است. لذا در صورت وجود هارمونیک فلوی ایجاد شده ناشی از بارهای غیر خطی در فرکانس‌های مختلف که با اختلاف فاز می‌باشند به‌صورت عبارت (17-1) و (18-1) ارائه می‌گردد:

  (1-17)  

  (1-18)

از این فلو‌ها جریان‌های زیر استخراج خواهند شد

  (1-19)

    (1-20)

حال که جریان‌های مورد نیاز تحت هارمونیک به دست آمده‌اند کافیست جهت عملکرد حرکتی رله، نیروی لازمه را محاسبه نماییم، این نیرو مطابق رابطه زیر خواهد بود؛

  (1-21)

به سادگی اثر هارمونیک بروی رله در این معادله مشهود است، همانگونه که مشاهده می‌کنید تفاوت فاحشی میان رابطه (16-1) (نیروی حرکتی رله در حالت عادی) و رابطه (1-21) (نیروی حرکتی رله در حالت هارمونیکی) وجود داشته و این نیرو درنهایت سبب ایجاد اخلال در عملکرد رله و کاهش طول عمر مفید آن خواهد شد.[8]

تاثیرات کلی هارمونیک بر رله‌های حفاظتی

در این بخش به تاثیرات کلی هارمونیک بروی سایر رله‌های به شکلی خلاصه پرداخته ایم؛

  • در رله‌های سریع مقدار جریان لازم برای عملکرد رله در صورت وجود هارمونیک‌ها کمتر و یا بیشتر از مقدار نامی می‌شود (تغییرات ناخواسته و غیر استاندارد) ولی این تغییرات برای هارمونیک‌های زیاد نیز کمتر از 15 درصد است.
  • رله هایی که دارای تاخیر زمانی هستند زمان عملکرد آنها شدیدا تحت تاثیر هارمونیک‌ها قرار خواهند گرفت.
  • در رله‌ها بستگی به نوع هارمونیک ممکن است گشتاور عمل کننده رله معکوس شود!.
  • رله‌های استاتیکی فرکانسی پایین، تحت تاثیر هارمونیک و ولتاژ قرار دارند، به‌نحوی كه وجود 10 درصد هارمونیک ولتاژ ممکن است زمان عملکرد آنها را به دو برابر افزایش دهد از طرف دیگر اینگونه رله‌ها خیلی به هارمونیک‌های ولتاژ کسری (کمتر از HZ 50) حساس هستند و برای عملکرد مناسب آنها بایستی اینگونه هارمونیک‌ها در کمتر از 5 درصد محدود گردند.
  • وجود هارمونیک هایی با زوایای خاص نسبت به موج اصلی سبب می‌شود که در شکل موج ولتاژ هنگام عبور از نقطه صفر که مورد استفاده رله‌های فرکانسی می‌باشد اغتشاش‌های خاصی بوجود آید بطوریکه عملکرد اینگونه رله‌ها شدیدا تغییر دهد.
  • هارمونیک‌ها عملکرد خیلی سریع رله‌های دیفرانسیل را از بین می‌برند.
  • وجود توالی صفر جریان ناشی از هارمونیک‌های مرتبه 3 جریان، بر رله‌های جریان زمین تاثیر می‌گذارند و باعث دادن فرمان قطع اشتباه می‌گردد.

تحقیقات دیگر نشان می‌دهد که بطور کلی سطح هارمونیکی که باعث عملکرد نامناسب بعضی از رله‌ها می‌گردد، بیشتر از سطح قابل قبول هارمونیک در شبکه است لذا در صورتیکه سطح هارمونیک در حد معمول کمتر از 5 درصد قرار گیرد، عملکرد رله چندان دستخوش تغییر نمی شود ولی در بعضی نقاط که مقدار هارمونیک‌ها بسیار زیاد است (بیشتر از 10 درصد) عملکرد رله‌ها نیز دستخوش تغییرات زیادی می‌گردد.

تاثیر هارمونیک بر کلیدهای قدرت

کلید‌های قدرت به دلیل کاربرد فراوان یکی از تعاریف مهم در سیستم‌های قدرت می‌باشند که در صورت لزوم جریان مدار را قطع می‌کنند، عملکرد صحیح کلیدها بستگی به شکل موج جریان دارد که قرار است توسط کلید قطع گردد، در نتیجه در صورت وجود هارمونیک در جریان، امکان دارد شکل موج جریان به نحوی باشد که در حوالی جریان صفر، مشتق جریان مقدار بزرگی شود و در نتیجه سبب اشکال در قطع شدن جریان گردد.

نمونه‌ای از این نوع جریان ها، جریان‌های مربوط به کانورتورها و اینورترها می‌باشند که در حوالی جریان صفر مقدار مشتق جریان بسیار زیاد است.

از طرف دیگر بسیاری از خرابی دژنکتورها یا مدارشکن‌ها (Circuit breaker) که دارای سیم پیچ طولانی کننده قوس می‌باشند ناشی از عدم عملکرد موفق این سیم پیچ‌ها در صورت وجود هارمونیک می‌باشند زیرا سیم پیچ طویل کننده قوس هنگامی که عمل قطع در حال اتفاق است سبب حرکت قوس به مجرای قوس (arc – chute) می‌گردد. و در صورتیکه این عمل به علت وجود هارمونیک‌ها و در نتیجه زیاد شدن امپدانس آنها به صورت کامل انجام نشود قوس دیرتر خاموش می‌گردد و سبب آسیب رساندن به دژنکتورها می‌گردد.

 اثر هارمونیک بر عایق

اضافه ولتاژ ناشی از هارمونیک‌ها می‌تواند بر توانایی عایق‌ها تاثیر بگذارد و سبب شکست آنها گردد و با توجه به اینکه عایق‌ها تقریباً در تمامی تجهیزات مورد استفاده در صنعت برق وجود دارند لذا بررسی تاثیر هارمونیک بر عایق‌ها لازم به نظر می‌رسد.

ازمیان تجهیزات مورد استفاده، خازن‌ها حساسترین عنصر به حساب می‌آیند و اضافه ولتاژ آنها معمولاً نباید از 20% ولتاژ نامی بیشتر گردد.

اضافه ولتاژ قابل تحمل موتورهای الکتریکی از دیدگاه عایقی برابر یا بیشتر از دو برابر ولتاژ نامی موتور است. با توجه به چنین شرطی دیده می‌شود که هارمونیک‌ها تاثیر زیادی بر عایق‌های موتورها نخواهد گذاشت و هارمونیک‌ها بر تلفات موتور تاثیر بیشتری دارند، هرچند همان تاثیر اندک را نیز می‌توان در فرآیند طراحی موتور الکتریکی لحاظ نمود.

همچنین هارمونیک‌ها بر عملکرد تجهیزاتی مانند برقگیرها که از فواصل هوایی استفاده می‌کنند تاثیر می‌گذارند در ضمن هارمونیک‌ها باعث گرم شدن اضافی تجهیزاتی که در آنها از نیمه هادی‌ها استفاده می‌گردد نیز می‌شوند. از دیگر عناصری که هارمونیک‌ها بر عایق آنها تاثیر می‌گذارند کابلها می‌باشند که این مسئله احتمال شکست عایقی در کابلها را به علت افزایش ولتاژ زیاد می‌کند.

اثر هارمونیک بر فیوزها

با توجه به اینکه فیوزها عناصری هستند که گرم شدن آلمان آنها سبب سریعتر عمل نمودن آنها می‌گردد، لذا وجود هارمونیک زیاد در شبکه باعث تغییر دادن منحنی مشخصه جریان – زمان فیوزها به دلیل گرم شدن اضافی آنها می‌شود.

تاثیر هارمونیک‌ها در جریان‌های سطح پایین اتصال کوتاه بر عملکرد فیوزها بیشتر مشهود است

اثر هارمونیک بر روی لامپ‌ها و المان‌های حرارتی

تلفات در تجهیزات الکتریکی مقدار زیادی وابسته به اغتشاشات ولتاژ اعمالی به آنها می‌باشد. معادله کلی را که برای تلفات می‌توان نوشت به‌صورت زیر می‌باشد:

  (1-22)

 که در آن پارامترها به‌صورت زیر تعریف شده اند:

Vh: مقدار موثر ولتاژ هارمونیک nام

n: مقدار ثابت

(F(h: تابعی است که بستگی به نوع تلفات دارد.

اگر لامپ‌های روشنایی و یا المان‌های حرارتی را به‌عنوان یک مقاومت در نظر بگیریم قدرت جذب شده توسط لامپ‌های روشنایی و المان‌های حرارتی تلفات اهمی خواهند بود. در نتیجه در رابطه (22-1) توان n برابر با 2 و تابع   خواهند شد.

یعنی داریم:

(1-23)

در رابطه بالا r مقاومت لامپ یا المان حرارتی است.

اگر جذب قدرت در صورت اعمال موج ولتاژ سینوسی با مقدار VR برابر مقدار زیر باشد:

(1-24)

آنگاه خواهیم داشت:

  (1-25)

(1-26)

حال اگر مقدار موثر ولتاژ سینوسی اعمالی برابر با مقدار موثر مولفه اصلی موج ولتاژ هارمونیکی باشد یعنی V1=VR آنگاه خواهیم داشت:

  (1-27)

به عبارت دیگر هرچه ضریب اعوجاج کلی (THD) بیشتر باشد جذب قدرت یا بار مصرفی در حالت تغذیه با موج هارمونیکی نسبت به جذب قدرت یا بار مصرفی با موج سینوسی بیشتر خواهد بود.

هارمونیک‌ها باعث جذب قدرت بیشتر و در نتیجه افزایش دمای المان‌های حرارتی می‌گردند و درنتیجه بر کاهش طول عمر این قبیل تجهیزات تاثیر می‌گذارند.

فرمول زیر برای تغییرات طول عمر پیشنهاد گردیده است:  

  (1-28)

  (1-29)

TMR: دما در ولتاژ نامی VR

TM: دما در ولتاژ V

LR: عمر عادی با ولتاژ VR

L: عمر لامپ با ولتاژ V

معادله فوق (29-1) به صورت واحد به صورت زیر نیز می‌باشد:

(1-30)

که در آن V برابر مقدار موثر ولتاژ (برحسب پریونیت) و L نیز عمر، برحسب عمر نامی می‌باشد.

درنهایت برای تاثیر میزان هارمونیک بروی عمر لامپ می‌توانید از رابطه (31-1) استفاده نمایید؛

(1-31)

که در آن n برابر با 1.13 می‌باشد.[9]

 اثر هارمونیک بر سیستم‌های مخابراتی

جریان‌های هارمونیكی در سیستم توزیع یا در سوی مصرف كننده می‌تواند موجب تداخل در مدارات مخابراتی شوند. ولتاژهای القائی در هادی‌های موازی با جریان‌های هارمونیكی مشابه، اغلب در پهنای باند ارتباطات صوتی قرار می‌گیرند. هارمونیك‌های بین 540 و 1200 هرتز عملاً‌ مخرب اند. ولتاژ القاء شده در هر آمپر از جریان با نسبت فركانس افزایش می‌یابد. هارمونیك‌های سوم به خصوص در سیستم‌های چهار سیم مشكل آفرین هستند. چون آنها در كلیه فازها با هم هم فازاند و در نتیجه مستقیماً‌ در سیم خنثی جمع شده و تاثیر زیادی روی مدار مخابراتی خواهند داشت.

عموما جریان‌های هارمونیكی در سیستم قدرت با مدارهای مخابراتی توسط القاء و یا هدایت مستقیم كوپل شده و این مسئله سبب ایجاد اختلالات گسترده می‌گردد

شكل زیر این كوپل شدن از نول یك خط هوائی توزیع را توسط القاء نشان می‌دهد.

كوپلاژ و القاءاز خطوط قدرت روی خطوط مخابرات

این یك مشكل اساسی برای زمانی بود كه از سیم‌های باز مخابراتی تلفن استفاده می‌شد. هم اكنون با استفاده از شیلد محافظ و بهم تابیدن سیم‌های تلفن، این مورد از كوپل شدن چندان اهمیتی ندارد. در سبک جدید ولتاژ اندوكتیو در هر هادی برابر بوده بنابراین برآیند ولتاژ القاء شده در حلقه دو هادی صفر می‌گردد.

اثر هارمونیک بر وسایل اندازه گیری

یکی دیگر از مشکلات هارمونیک که متاسفانه سبب ایجاد مشکل در محاسبات می‌گردد تاثیر مستقیم هارمونیک بروی وسایل اندازه گیری می‌باشد، تکنولوژی ساخت دستگاه‌های اندازه گیر و حساس به هارمونیک همچنان به صرفه نبوده و به همین دلیل باید هارمونیک را به صورت خطا در محاسبات خود لحاظ نماییم، در ادامه نگاهی کوتاه خواهیم داشت به تاثیر هارمونیک بروی وات متر؛

اثر هارمونیک بر وات‌مترها

واتمترها اندکسیونی هستند که تحت تاثیر فرکانس قرار می‌گیرند زیرا گشتاور وارد شده به دیسک آنها مناسب با فلو و جریان گردابی است که در دیسک القا می‌شود. فلو و جریان گردابی نیز با افزایش فرکانس کاهش می‌یابند بنابراین واتمترها دارای خطای منفی در فرکانس‌های بالاتر از فرکانس نامی هستند. به عبارت دیگر مقادیری که واتمترها نشان می‌دهند کمتر از مقدار واقعی می‌باشد. میزان تقریبی خطا برای هارمونیک دوم حدود 5% و برای هارمونیک دهم برابر با 56% می‌باشد از سوی دیگر اثر هارمونیک‌ها بر روی وسایل اندازه گیری بستگی به جهت عبور جریان هارمونیک نیز دارد.

تاثیرات دیگر هارمونیک ها

هارمونیک‌ها علاوه بر موارد ذکر شده در بخش‌های فعلی اثرات دیگری نیز دارند که در ادامه به مهمترین آنها اشاره شده است؛

  • تاثیر هارمونیک‌ها بر سیستم هایی که وظیفه انتقال فرمانی کنترلی از راه دور مانند PLC بر عهده دارند، هارمونیک می‌تواند بر عملکرد آنها تاثیر نامطلوبی بجای گذارد.
  • هارمونیک‌ها سبب اشباع هسته ترانسفورماتور‌های ولتاژ می‌گردند هرچند که در ترانسفورماتور جریان این تاثیر کمتر است ولی انرژی، توان و زاویه فاز ترانسفوماتور جریان نیز تحت تاثیر قرار می‌گیرد.
  • هارمونیک توالی صفر بر سیستم زمین تاثیر می‌گذارد و لازم است در انتخاب شرایط نامی چنین تجهیزاتی این مسئله مورد توجه قرار گیرد.
  • و …

سوالات متداول آثار هارمونیک

تاثیر هارمونیک بروی خازن چیست؟

تغییر فرکانس شبکه براثر ایجاد هارمونیک در آن سبب تغییر در امپدانس خازن شده و با کاهش امپدانس خازن جریان جاری شده در خازن به شدت افزایش یافته و درنهایت به دلیل گرمای تولید شده می تواند مشکلات عایقی را در پی داشته باشد.

تاثیر هارمونیک بروی ماشین القایی چیست؟

اعوجاج هارمونیکی ولتاژ در ترمینال‌های ورودی موتور به هارمونیک فوران در داخل موتور منجر می‌شود. فوران‌های هارمونیکی در ایجاد گشتاور مشارکتی نمی کنند ولی چون با سرعتی متفاوت با فرکانس اصلی به گردش در می‌آیند در نتیجه جریان‌های با فرکانس بالا در رتور ایجاد می‌کنند. در نهایت سبب کاهش طول عمر و افت راندمان می گردد.

تاثیر هارمونیک بروی ترانسفورماتور چیست؟

مسلما تغذیه بارهای غیرخطی (عامل تولید هارمونیک) توسط ترانسفورماتور منجر به تلفات بیشتر، پیری زودرس عایق‌ها و نهایتا کاهش عمر مفید ترانسفورماتورها می‌شود. هارمونیک جریان و ولتاژ در ترانسفورماتور به ترتیب سبب؛ “افزایش تلفات مسی و گردابی” و “افزایش تلفات هیسترزیس” می گردد.

تاثیر هارمونیک بروی رله چیست؟

در برخی رله‌های اضافه جریان، عملکرد رله بستگی به شکل موج جریان داشته و تنها درصد میزان هارمونیک موثر نیست. به‌عبارت دیگر اگر موج هایی که دارای میزان هارمونیک یکسانی می‌باشند ولی شکل موج آنها متفاوت از هم بوده و به اینگونه رله‌ها اعمال شوند قطعا پاسخ‌های رله متفاوت خواهد بود. بنابراین نمی توان تنها با استفاده از درصد میزان هارمونیک‌ها عملکرد رله را مورد بررسی قرار داد.

تاثیر هارمونیک بروی کلیدهای قدرت چیست؟

دژنکتورها و یا مدارشکن های دارای سیم پیچ طولانی عمدتا از هارمونیک ها تاثیر پذیرفته و به جای دمپ قوس سبب حرکت قوس به مجرای قوس (arc – chute) می گردد که در نهایت خرابی این Circuit breakerها را به دنبال دارد.

سخن پایانی

همانگونه که بیان شد هارمونیک‌ها اثرات مخرب کننده‌ای بر تجهیزات سیستم‌های قدرت بر جای می‌گذارند که گاهی این تاثیرات به قدری شدید بوده که عملا امکان بهره‌برداری مناسب از دستگاه مذکور رل سلب می کنند، بنابراین باید در ابتدا منابع تولید هارمونیک را به خوبی شناسایی نمود و پس از آن با استفاده از روش های نوین سعی در کاهش تاثیرات این پدیده نمود در آینده این دو مورد یعنی؛ منابع و نحوه جبران سازی هارمونیک ها به شکلی مفصل توضیح داده خواهد شد.

منابع

  1. Yatharth Kumar Sharma, Mohan R Vijay, “Capacitor Banks and its Effect on Power System with High Harmonics Loads“, DOI:0.1109/I2CT.2018.8529671, 12 November 2018

  2. G. M. Minamizaki, S. U. Ahn, G. L. Torres, L. E. Borges, N. C. Jesus, “Technical solutions for harmonic resonance at MV: Relocatable capacitor bank technique“, DOI: 10.1109/TDC-LA.2010.5762867, Nov 2010

  3. کتاب “استاندارد‌های هارمونیك در شبكه توزيع”، ناشر: شرکت توزیع نیروی برق استان تهران

  4. Omid Mirzapour, Sahand Karimi-Arpanahi, Hashem Oraee, “Evaluating Grid Harmonics Effect on Induction Motor Using Reduced Thermal Model“, DOI: 10.1109/SGC.2018.8777879, July 2019

  5. M. Shareghi, B. T. Phung, M. S. Naderi, T. R. Blackburn, E. Ambikairajah, “Effects of current and voltage harmonics on distribution transformer losses“, January 2013

  6. سيد محمد باقر ساداتی، دكتر عبدالحسين طحانی، دكتر حسن آبروش و محمد متقي مجد، “تاثير بارهاي هارمونيكی بر كاهش قدرت نامي ترانسفورماتورهای توزيع”، دانشگاه صنعتی نوشيروان بابل – سيزدهمين كنفرانس برق

  7. فرامرز سپری، محمود رضا حقی فام، هادی يوسفی، “بررسي تاثیر محيط هارمونيكی بر عملكرد تجهيزات در شبكه توزيع”، سيزدهمين كنفرانس برق

  8. Francisco C. De La Rosa, “Harmonics and Power Systems (Electric Power Engineering)”, CRC Press, 2006

  9. R. Arseneau ; M. Ouellette, “The effects of supply harmonics on the performance of compact fluorescent lamps“, DOI: 10.1109/61.216848, Apr 1993

خوشحال خواهیم شد اگر شما نکته و یا تجربه‌ای در مورد تاثیرات هارمونیک داشته‌اید با ما در بخش نظرات درمیان بگذارید

راستی! برای دريافت مطالب جديد در کانال تلگرام PowerEn عضو شويد. 

تلگرام
مهندس سیاه تیری
گرایش مورد علاقه‌ام ماشین‌های الکتریکی، بخصوص نوع دایرکت درایوها هست - عاشق کار با نرم‌افزارهای تخصصی هستم - هدفم انتقال تمام دانش تخصصی هست که در طی سال‌ها فعالیت به‌صورت پروژه محور (برای شرکت‌ها و افراد) کسب کردم و واقعاً خوشحال می شم بتونم کمکتون کنم. تموم موفقیت‌های داشته و نداشتم رو مدیون کسی هستم که بدون هیچ چشم داشتی کنارم موند. دانش‌آموخته کارشناسی ارشد برق - قدرت (ماشین‌های الکتریکی و الکترونیک قدرت) - دانشگاه صنعتی خواجه‌نصیرالدین طوسی
همراه ما باشید در کانال تلگرام مهندسی برق کانال تلگرام PowerEn
اطلاع رسانی با ایمیل
اطلاع از
guest
0 دیدگاه
Inline Feedbacks
View all comments