هارمونیک

 

هارمونیک :
در هر شبکه جریان متناوب، جاری شدن جریان به ولتاژ اعمال شده و امپدانس (مقاومت AC) عناصر مانند مقاومت، راکتانس القایی و ماهیت خازنی بستگی دارد. از آنجا که امپدانس دستگاه های فوق ثابت است، به آن ها دستگاه های خطی گفته می شود و در آن ها رابطه ولتاژ و جریان خطی است. با وجود این، در دنیای واقعی، از دستگاه های مختلف مثل دیود، یکسوکننده های سیکلونی، سیستم های PWM، تریستور، راکتورهای هسته اشباع تغییر جهت ولتاژ و جریان، کوره های القایی و قوس الکتریکی برای مقاصد مختلف استفاده می شود. به واسطه خصوصیت امپدانس متغیر، دستگاه های غیر خطی باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج ولتاژ و جریان می-شوند، که اخیراً بسیار مورد توجه قرار گرفته است. هارمونیک ها به صورت ضربه هایی در فواصلی که مضربی از فرکانس اصلی (تغذیه) هستند ظاهر می شوند و باعث اعوجاج شکل موج سینوسی ولتاژ و جریان تغذیه می-گردند.
هارمونیک ها مضربی از فرکانس اصلی یک سیستم توان الکتریکی هستند. به عنوان مثال، اگر فرکانس اصلی 50 Hz باشد، آنگاه پنجمین هارمونیک 5 برابر آن فرکانس، یعنی 250 Hz است. به طور مشابه، هفتمین هارمونیک، 7 برابر فرکانس اصلی یا 350 Hz است و الی آخر.
هارمونیک ها در بحث ولتاژ یا جریان مورد بحث قرار می گیرند. جریان هارمونیک پنجم جریانی با فرکانس 250 Hz است که در یک سیستم 50 هرتزی جاری می شود. جریان هارمونیک پنجم عبوری از امپدانس این سیستم باعث ایجاد ولتاژ هارمونیک پنجم می شود. اعوجاج هارمونیک کل (Total Harmonic Distorsion) بیانگر مقدار هارمونیک است. فرمول زیر برای محاسبه THD بکار می رود:
〖THD〗_1=√(∑_(i=2)^n▒〖(I_i/I_1 )〗^2 )×100
I_THD=√((50/250)^2+(35/250)^2 )×100=24 %
هنگامیکه جریان های هارمونیک در یک سیستم قدرت جاری می شوند، به آن ها برق کثیف گفته می شود. سایر عوامل کیفیت برق ضعیف عبارتند از گذارهایی مانند ضربه ولتاژ، فراضربه، شکم هادی و تداخل. چون هارمونیک ها در هر سیکل تکرار می شوند، علت اصلی پایدار کیفیت برق ضعیف شمرده می شوند.
اگر THD را به صورت درصدی از ولتاژ اصلی بیان کنیم خواهیم داشت:
〖THD〗_V=√(∑_(i=2)^n▒〖(V_i/V_1 )〗^2 )×100
که در آن V_1 ولتاژ اصلی و V_i، i امین هارمونیک ولتاژ است.
علل عمده ایجاد هارمونیک
دستگاه هایی که جریان غیر سینوسی می کشند، وقتی با یک ولتاژ سینوسی مواجه می شوند، هارمونیک تولید می کنند. معمولاً این ها دستگاه هایی هستند که AC را به DC تبدیل می کنند. بعضی از این دستگاه ها در زیر لیست شده اند:
مبدل های سوئیچینگ الکترونیکی:
کامپیوتر، منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)، یکسو کننده حالت جامد
دستگاه کنترل فرایند الکترونیکی، PLC، و غیره
روشنایی مقاومتی الکترونیکی، مثل دیمر
کنترل کننده های موتور کم ولتاژ
دستگاه های قوس الکتریکی:
روشنایی تخلیه الکتریکی، مثل فلوئورسنت، سدیم و بخار جیوه
کوره قوس الکتریکی، دستگاه جوشکاری، سیستم کشش الکتریکی
دستگاه های فرو مغناطیس:
مبدل هایی که نزدیک سطح اشباع کار می کنند
مقاومت های مغناطیسی (هسته آهنی اشباع شده)
بخاری القایی، چوک، موتور
لوزام خانگی:
تلویزیون، تهویه مطبوع، لباسشویی، اجاق مایکروویو
دستگاه فکس، فتوکپی، چاپگر
در این دستگاه ها از قطعات الکترونیکی مثل SCR، دیود و تریستور استفاده می شود که درصد روبه رشدی از بار را در سیستم های برق صنعتی تشکیل می دهند. اکثر آن ها از مبدل های 6 پالسی استفاده می کنند. بیشتر بارهایی که هارمونیک تولید می کنند، این کار را به صورت یک پدیده حالت پایدار انجام می دهند. خواندن لحظه ای یک بار عملیاتی مشکوک  به حالت غیر خطی، می تواند تعیین کند آیا هارمونیک تولید می کند یا خیر. به طور عادی، هر بار طیف هارمونیک خاصی را آشکار می کند.
غلبه بر هارمونیک
فیلترهای تنظیم هارمونیک شامل یک بانک خازنی و راکتور به طور سری برای کاهش هارمونیک هستند و مسیری با امپدانس کم برای مؤلفه هارمونیک فراهم می کنند.
فیلترهای هارمونیک که نزدیک دستگاه ها تولید کننده هارموینک نصب می شوند، باعث کاهش THD تا حد قابل قبول می شوند. در وضعیت فعلی که هیچ مقرراتی برای سازگاری مغناطیسی وجود ندارد، کاربرد فیلترهای هارمونیک در صنایعی که دارای ژنراتورهای دیزلی و دستگاه های تولید همزمان هستند رایج است.
مراجع:
حوری جعفری. ح، س ستاری، م.ا امینیان، م مشایخی، 1390، کارایی انرژی در تأسیسات الکتریکی، انتشارات هزاره سوم، چاپ اول