هارمونیک در شبکه برق چیست و چگونه اصلاح می شود؟

کیفیت توان الکتریکی یکی از مهم ترین مباحث در مهندسی برق است. در یک شبکه برق ایده آل، ولتاژ و جریان به صورت موج های سینوسی کاملا متناوب و خالص تولید و توزیع می شوند. با این حال، در محیط های صنعتی و حتی مسکونی امروزی، شکل این امواج دچار اعوجاج و تغییر شکل می شود. یکی از عوامل اصلی این تغییر شکل، پدیده ای به نام «هارمونیک» (Harmonic) است.

در این مقاله، قصد داریم با زبانی ساده اما با رویکردی کاملا فنی و مهندسی، ماهیت هارمونیک، دلایل تولید آن و روش های مهار این پدیده را بررسی کنیم تا مخاطبان علاقه مند بتوانند درک دقیقی از این چالش شبکه های برق به دست آورند.

هارمونیک چیست؟

پیش از تعریف هارمونیک، ابتدا باید بدانیم فرکانس پایه چیست. در شبکه‌ های برق متناوب (AC)، مقدار ولتاژ و جریان ثابت نیست و به صورت یک موج سینوسی به طور پیوسته تغییر می‌ کند. فرکانس پایه، در واقع نشان‌ دهنده تعداد چرخه‌ های کامل این موج در یک ثانیه است.

در شبکه‌ های توزیع برق (مانند شبکه برق ایران)، فرکانس اصلی و پایه برابر با 50 هرتز(Hz) است؛ به این معنی که موج سینوسی برق در هر ثانیه دقیقا 50 بار سیکل کامل خود را طی می‌ کند. در حالت استاندارد، تمامی تجهیزات الکتریکی برای کارکرد بهینه با همین فرکانس سینوسی خالص طراحی شده‌ اند.

هارمونیک‌ ها در واقع فرکانس‌ هایی هستند که مضرب صحیحی از فرکانس پایه شبکه می‌ باشند. برای مثال، هارمونیک سوم دارای فرکانس 150= 3×50 هرتز و هارمونیک پنجم دارای فرکانس 250= 5×50 است. زمانی که این فرکانس‌ های مزاحم به موج اصلی شبکه (همان 50هرتز) اضافه می‌ شوند، شکل موج سینوسی خالص از بین رفته و به یک موج نامتقارن و دندانه‌ دار تبدیل می‌ شود. این اعوجاج، کیفیت توان شبکه را به شدت کاهش می‌ دهد.

منشأ تولید هارمونیک: بارهای خطی و غیرخطی

برای درک اینکه هارمونیک ها چگونه وارد شبکه برق می شوند، باید با دسته بندی مصرف کننده های الکتریکی آشنا شویم. در مهندسی برق، مصرف کننده ها (بارها) به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

۱. بار خطی (Linear Load)

بارهای خطی تجهیزاتی هستند که در آن ها، جریان مصرفی رابطه مستقیمی با ولتاژ شبکه دارد. وقتی ولتاژ به صورت یک موج سینوسی کامل است، جریانی که این تجهیزات از شبکه می کشند نیز یک موج سینوسی کامل و بدون اعوجاج خواهد بود.

المنت های حرارتی، هیترهای مقاومتی و لامپ های رشته ای نمونه هایی از بارهای خطی هستند. این تجهیزات هیچ گونه هارمونیکی در شبکه تولید نمی کنند و عملکرد آن ها باعث افت کیفیت برق نمی شود.

۲. بار غیرخطی (Non-linear Load)

در بارهای غیرخطی، شکل موج جریان با شکل موج ولتاژ متناسب نیست. این تجهیزات به جای اینکه جریان را به صورت پیوسته و یکنواخت از شبکه دریافت کنند، آن را به صورت پالس های سوئیچینگ، مقطعی و ناگهانی مصرف می کنند. همین قطع و وصل های سریع و کشیدن جریان به صورت پالسی، باعث ایجاد اعوجاج در موج اصلی ولتاژ و تولید هارمونیک در شبکه می شود.

امروزه با پیشرفت تکنولوژی الکترونیک قدرت، استفاده از بارهای غیرخطی به شدت گسترش یافته است. مهم ترین منابع تولید هارمونیک عبارتند از:

• درایوهای کنترل دور موتور (VFD) و اینورترها
• یکسوسازها (Rectifiers) و منابع تغذیه سوئیچینگ (UPS و شارژرها)
• سیستم های روشنایی LED و لامپ های تخلیه گازی
• کوره های القایی و دستگاه های جوشکاری

اندازه گیری هارمونیک (THD)

برای ارزیابی میزان آلودگی هارمونیکی یک شبکه، از شاخصی به نام «اعوجاج هارمونیک کل» یا THD (Total Harmonic Distortion) استفاده می شود. این شاخص به صورت درصد بیان شده و از طریق فرمول زیر محاسبه می گردد که به آن فرمول محاسبه thd میگویند:

در این فرمول، I1 جریان فرکانس اصلی و In جریان مربوط به هارمونیک های مرتبه بالاتر است. هرچه میزان بارهای غیرخطی در یک شبکه بیشتر باشد، مقدار THD افزایش یافته و شبکه در وضعیت بحرانی تری قرار می گیرد.

اثرات مخرب هارمونیک بر تجهیزات شبکه

حضور هارمونیک‌ ها در شبکه برق، شکل موج استاندارد سینوسی را مخدوش کرده و پیامدهای فنی و اقتصادی زیان‌ باری به همراه دارد. این امواج مزاحم، عملکرد بهینه تجهیزات را مختل کرده و استهلاک آن‌ ها را به شدت افزایش می‌ دهند. مهم‌ ترین این اثرات شامل موارد زیر است:

تلفات حرارتی شدید و پدیده «اثر پوستی» (Skin Effect)

در فرکانس پایه (50Hz)، جریان برق به صورت یکنواخت از تمام سطح مقطع کابل عبور می‌ کند. اما با ورود هارمونیک‌ ها و افزایش فرکانس، جریان تمایل پیدا می‌ کند تا از مرکز هادی فاصله گرفته و تنها از لایه بیرونی یا «پوسته» کابل عبور کند. این پدیده که اثر پوستی نامیده می‌ شود، سطح مقطع مفید کابل را کاهش داده و مقاومت الکتریکی را بالا می‌ برد که نتیجه آن داغ شدن بیش از حد کابل‌ ها است. در ترانسفورماتورها نیز این فرکانس‌ های بالا باعث افزایش تلفات فوکو (جریان‌ های گردابی) و هیسترزیس شده و ظرفیت نامی تجهیز (Derating) و عمر عایقی آن را کاهش می‌ دهند.

آسیب به موتورهای القایی و خطر در سیم نول

برخی از هارمونیک‌ ها دارای توالی فاز منفی هستند؛ به این معنی که میدان مغناطیسیِ معکوسی ایجاد می‌ کنند که در خلاف جهت چرخش روتور موتور است. این مسئله باعث ایجاد گشتاور ترمزی، لرزش‌ های مخرب مکانیکی و فرسایش زودهنگام بلبرینگ‌ ها می‌ شود. از سوی دیگر، هارمونیک‌ های مضرب سه، در سیم نول خنثی نمی‌ شوند بلکه با هم جمع شده و جریان خطرناکی در نول ایجاد می‌ کنند که خطر آتش‌ سوزی به همراه دارد.

عملکرد کاذب تجهیزات حفاظتی

رله‌ های حفاظتی و کلیدهای اتوماتیک برای عملکرد صحیح به تشخیص دقیق نقطه عبور از صفر در موج سینوسی (Zero-Crossing) وابسته‌ اند. اعوجاج هارمونیکی باعث ایجاد نوسانات و نقاط عبور از صفر کاذب در شکل موج می‌ شود که نتیجه آن، قطع شدن ناخواسته و بی‌ دلیل کلیدهای حفاظتی و توقف خطوط تولید است.

تخریب خازن‌ ها و پدیده رزونانس

با افزایش فرکانس ناشی از هارمونیک‌ ها، مقاومت خازن به شدت افت می‌ کند. در نتیجه، خازن‌ ها جریان‌ های هارمونیکی بالایی را به خود جذب می‌ کنند. این امر باعث اضافه‌ جریان، گرمایش شدید، تورم و در نهایت انفجار آن‌ ها می‌ شود.

به همین دلیل، در سیستم‌ های صنعتی که برای اصلاح ضریب توان از بانک خازنی استفاده می‌ شود، باید طراحی مدار به گونه‌ای باشد که از ایجاد رزونانس هارمونیکی جلوگیری کند و تجهیزات حفاظتی مناسب در نظر گرفته شود.

راهکارهای فنی برای مقابله با هارمونیک

برای حفظ پایداری شبکه و محافظت از تجهیزات، مهندسین برق از روش ها و تجهیزات فیلترینگ متعددی استفاده می کنند:

چوک یا راکتور خط (Line Reactor)

راکتور خط در واقع یک سیم پیچ (سلف) سه فاز است که به صورت سری در مسیر تغذیه ورودی بارهای غیرخطی (به ویژه درایوهای فرکانس متغیر یا VFDها) نصب می شود. مبنای عملکرد این تجهیز بر اساس خاصیت ذاتی سلف در مخالفت با تغییرات ناگهانی جریان است.

هنگامی که تجهیزات الکترونیک قدرت جریان را به صورت پالس های سریع می کشند، راکتور خط با ایجاد یک امپدانس مغناطیسی، قله های تیز (پیک های جریان) را ملایم کرده و شکل موج را به حالت سینوسی نزدیک تر می کند. این کار علاوه بر کاهش اعوجاج هارمونیک کل (THD) جریان به میزان ۳۰ الی ۴۰ درصد، از تجهیزات در برابر نوسانات شدید ولتاژ (ترانزینت ها) نیز محافظت می کند. چوک ها راهکاری ارزان، مقاوم و بدون نیاز به تنظیمات پیچیده هستند.

راکتورهای دی تیون (Detuned Reactors) و حفاظت از خازن ها

خازن ها ذاتا دارای امپدانسی هستند که با افزایش فرکانس، کاهش می یابد. بنابراین، در شبکه های دارای هارمونیک، خازن ها مانند یک اسفنج عمل کرده و جریان های هارمونیکی (که فرکانس بالایی دارند) را به سمت خود جذب می کنند. این امر منجر به داغ شدن شدید و خرابی زودرس خازن می شود. بدتر از آن، ترکیب ظرفیت خازنی شبکه با اندوکتانس (سلف) ترانسفورماتور می تواند منجر به پدیده مخرب «رزونانس موازی» شود که ولتاژ و جریان شبکه را به شدت بالا می برد.

برای جلوگیری از این فاجعه در ساخت بانک خازنی، سلف هایی به نام «راکتور دی تیون» را به صورت سری با خازن ها قرار می دهند. ترکیب این سلف و خازن به گونه ای محاسبه می شود که فرکانس تشدید آن ها روی عددی پایین تر از اولین هارمونیک مزاحم شبکه (مثلا روی 189Hz در شبکه های 50Hz برای دور شدن از هارمونیک پنجم یعنی 250Hz) تنظیم شود. به همین دلیل، در شبکه های صنعتی، برای بهبود کیفیت توان و جلوگیری از هزینه های خرابی تجهیزات، در هنگام خرید بانک خازنی اتوماتیک حتما باید مدل های مجهز به فیلتر هارمونیک (دی تیون) انتخاب شوند.

فیلترهای پسیو (Passive Filters)

فیلترهای پسیو یا غیرفعال، مدارهایی متشکل از سلف (L)، خازن (C) و گاهی مقاومت (R) هستند که با هدف حذف کامل یک هارمونیک خاص طراحی می شوند. برخلاف راکتورهای دی تیون که فقط نقش محافظتی دارند، فیلترهای پسیو روی فرکانس همان هارمونیک مزاحم (مثلا هارمونیک پنجم یا هفتم) به دقت تنظیم (Tune) می شوند.

در فرکانس تنظیم شده، مجموع امپدانس سلف و خازن (XL-XC) به حداقل مقدار خود (نزدیک به صفر) می رسد. در نتیجه، این فیلتر یک مسیر با مقاومت بسیار پایین برای آن هارمونیک خاص ایجاد می کند. جریان هارمونیک به جای حرکت در شبکه اصلی و آسیب زدن به ترانسفورماتورها، وارد این مسیر شده و در مقاومت داخلی فیلتر به حرارت تبدیل (تلف) می شود. از نقاط ضعف این سیستم می توان به حجم فیزیکی بزرگ و احتمال اضافه بار شدن فیلتر در صورت تغییرات عمده در شبکه اشاره کرد.

فیلترهای اکتیو (Active Filters)

فیلترهای هارمونیک اکتیو (AHF) مدرن ترین و کامل ترین راهکار برای مقابله با هارمونیک ها هستند. این تجهیزات کاملا بر پایه تکنولوژی الکترونیک قدرت و پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP) کار می کنند.

نحوه عملکرد فیلتر اکتیو به این صورت است که توسط ترانسفورماتورهای جریان (CT)، شکل موج جریان مصرفی شبکه را در هر لحظه نمونه برداری می کند. سپس پردازنده، جریان های هارمونیکی را از جریان اصلی تفکیک کرده و به سرعت به کلیدهای نیمه هادی (IGBT) فرمان می دهد تا جریانی دقیقا با همان دامنه اما با اختلاف فاز 180 درجه تولید و به شبکه تزریق کنند.

بر اساس اصل جمع آثار، این جریان معکوس، جریان هارمونیک تولید شده توسط بارهای غیرخطی را به طور کامل خنثی می کند. فیلترهای اکتیو می توانند به طور همزمان چندین مرتبه هارمونیک مختلف را حذف کنند و به صورت دینامیک با تغییرات بار شبکه سازگار شوند، اما هزینه پیاده سازی آن ها نسبت به سایر روش ها بالاتر است.

بیشتر بخوانید: فیلتر هارمونیک چیست و چه نقشی در بانک خازنی دارد؟

نتیجه گیری

هارمونیک ها از پیامدهای اجتناب ناپذیر استفاده از تجهیزات مدرن و بارهای غیرخطی در شبکه های قدرت هستند. شناخت دقیق این پدیده، اندازه گیری مستمر پارامترهای شبکه و استفاده از تجهیزات فیلترینگ مناسب، لازمه داشتن یک سیستم الکتریکی پایدار و ایمن است. در بسیاری از پروژه های صنعتی، بهره گیری از سیستم های تابلو بانک خازنی مجهز به فیلتر هارمونیک می تواند نقش مهمی در بهبود کیفیت توان و افزایش طول عمر تجهیزات ایفا کند.