بررسی هارمونیک ها و اثرات نامطلوب آن

هرگاه در شبكه قدرت به هر دليلی شكل موج جریان از حالت سينوسي خالص انحرافي پيدا كند، گفته مي شود جريان داراي هارمونيك مي باشد. اين پديده در نتيجه استفاده از عنصرهای غيرخطي ، بكارگيري ترانسفورماتورها در ناحيه اشباع و كنترل كننده هاي سرعت موتورهاي الكتريكي ايجاد ميشود.

هارمونیک ها همواره یکی از دغدغه های مهندسین برق بوده اند و با توجه به افزایش استفاده از نیمه هادی ها و به صورت کلی ادوات الکترونیک قدرت مسئله هارمونیک، خود را پر رنگ تر از گذشته در کیفیت توان نشان می دهد.

بررسی هارمونیکی تنها برای سطوح ولتاژی پایین نیست و در حال حاضر اصلاح هارمونیکی برای خطوط انتفال نیز استفاده می شود و در واقع ترکیبی از گرایش الکترونیک قدرت و سیستم های قدرت می باشد.

اكثر اعوجاج هاي ايجاد شده در شكل موج ولتاژ و جريان شبكه قدرت ، ناشی از بارهايي هستند كه داراي مشخصه غيرخطي بوده و يا درآنها از عناصرالكترونيك قدرت استفاده مي شود.

نيمه هادي ها درمدارهاي راه اندازي وكنترل موتورهاي جريان مستقيم و متناوب ، جوشكاري،كوره هاي الكتريكي ،مولد هاي برق بدون وقفه، لوازم خانگي و … مورد استفاده قرار مي گيرند. از آن جهت كه نيمه هادي قدرت در هر نقطه از شكل موج ولتاژ ناگهان روشن و خاموش مي شوند، حالت هاي گذرايي با فركانس نوسان بالا و دامنه ميرا شونده پديد مي آورند. اگر در هر پريود عمل كليد زني در نقطه مشابهي انجام شود، حالت گذرا شكلي متناوب به خود مي گيرد. چنين سيگنال هاي غيرسينوسي را مي توان با استفاده از بسط سري فوريه ، بصورت مجموعه اي از امواج سينوسي بيان نمود كه به هارمونيك هاي شبكه قدرت موسومند و فركانس آنها مضرب صحيحي از فركانس قدرت مي باشد. هنگاميكه اثر سلف و خازن هاي شبكه نيز مد نظر قرار گيرد، اهميت اعوجاجات هارمونيكي دو چندان مي شود. در حقيقت، چون سيگنال اعوجاج يافته داراي مولفه هايي با فركانس هاي متفاوت مي باشد، در يكي از اين فركانس ها امكان ايجاد تشديد بين يكي از خازن ها وسلف معادل شبكه وجود دارد که به تبع آن دامنه هارمونيك مربوط به فركانس تشديد افزايش نيز مي يابد.

 

اثرات نامطلوب ناشی از اعوجاجات هارمونیک ها را در سیستم های قدرت :

 

عدم توجه به وجود هارمونیکها باعث :

  1. افزايش تلفات هدايتي خط انتقال و تلفات گرمايي ماشينهاي الكتريكي و تلفات اضافی اهمی و نیز تلفات اضافی در هسته
  2. کاهش طول عمر مفید وسایل و تجهیزات الکتریکی
  3. شکست عایقی بانک های خازنی و افزایش جریان و توان راکتیو بانک های خازنی
  4. تداخل با سیستم های ریپل کنترل و تداخل در وظیفه کنترل از راه دور سیستم های کلیدزنی و اندازه گیری.
  5. شکست عایقی کابل ها
  6. تداخل خطا در دستگاه های اندازه گیری.
  7. اختلال در گشتاور موتورهای الکتریکی
  8. ایجاد نوسانات مکانیکی و اغتشاشات در سیستمهای الکترونیکی و مخابراتی
  9. کاهش ظرفیت فیوزها به دلیل حرارت و عملکرد نامناسب فیوزها.
  10. عدم عملکرد مناسب سیستم های کنترل.
  11. عملکرد نامناسب و پاسخ اشتباه رله ها.

 

جبرانسازي هارمونيكهاي جريان:

جهت جبران اين نقيصه در شبكه هاي قدرت، استفاده از فيلترهاي پسيو و اكتيو پيشنهاد شده است. اين تجهیزات با جذب مولفه هاي هارمونيكي نامطلوب جريان شبكه، موجب صاف شدن جريان به شكل سينوسي مطلوب خواهند شد. البته هزينه استفاده از اين تجهيزات بالا بوده، اما بارهاي هارمونيكي شديد، ناگزير بايد از اين تجهيزات بهره مند گردند.

فیلترهای اکتیو و پسیو :

در طراحی فیلتر اکتیو از کامپوننت های فعال مثل تقویت کننده ها استفاده می شود. دراین نوع فیلترها سیگنال ورودی تقویت شده و دامنه سیگنال خروجی از سیگنال ورودی بزرگتر می شود. بزرگترین تفاوت فیلترهای اکتیو با پسیو در تقویت سیگنال می باشد. یکی از معایب فیلترهای پسیو آن است که دامنه سیگنال خروجی از ورودی کمتر بوده و در مدار تضعیف وجود دارد.

این نوع فیلترها می توانند هارمونیک های بالا و پایین را در سیستم های قدرت حذف کنند. فیلترهای قدرت پسیو ترکیبی از خازن ، سلف و مقاومت هستند و به منبع توان خارجی و یا المان فعال مثل ترانزیستور نیاز ندارند. این اختلاف باعث می شود که فیلترهای فعال بتوانند هارمونیک ها را خنثی سازند و بتوانند با اعمال توان با فاز معکوس در فرکانس مشابه هارمونیک ها را حذف کنند.

متداول ترین نوع فیلتر اکتیو، فیلتر پایین گذر اکتیو است. ساده ترین فرم آن از اتصال یک فیلتر پایین گذر RC به یک تقویت کننده اپ امپ به صورت نشان داده شده در شکل زیر به دست می آید.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *