اعوجاج هارمونیکی

اعوجاج هارمونیک کل یا یک پارامتر کیفی بوده و نمایانگر آن است که یک شکل موج یا سیگنال تا چه حد به شکل موج سینوسی نزدیک می‌باشد. مقدار THD بر حسب درصد بیان شده و هرچه میزان THD کمتر باشد شکل موج سینوسی دارای کیفیت بهتری بوده و بلندگو، آمپلی فایر، یوپی‌اس
و یا دیگر تجهیزات قادر خواهند بود تا سیگنال‌ها را با کیفیت بهتر انتقال دهند. به طور مثال یک نوازنده ویولن را در نظر بگیرید؛ هر چه این فرد بتواند یک نت را صاف، بدون نویز یا بدون صداهای مزاحم دیگر بنوازد آنگاه می‌توانیم بگوییم او سیگنالی با اعوجاج هارمونیکی کمتری تولید کرده است.و با Qt رابطه عکس دارد.
عوامل ایجاد هارمونیک‌ها
یکی از عوامل ایجاد هارمونیک‌ها به کارگیری المان‌ها و بارهای غیرخطی در سیستم است که باعث ایجاد سیگنال‌های غیرسینوسی جریان و ولتاژ در شبکه قدرت شده که خود موجب پیدایش اعوجاج در موج اصلی جریان و ولتاژ می‌گردد. با گسترش بارهای غیرخطی، اعوجاج ولتاژ در سیستم‌های قدرت شکل می‌گیرد که با انتقال از منبع به سمت بارها به علت امپدانس سیستم میزان آن افزایش می‌یابد. در زیر به سه دسته اساسی از عوامل ایجاد هارمونیک‌ها اشاره می‌گردد.
مبدل‌های الکترونیکی قدرت
شامل مبدل‌های الکترونیکی قدرت مانند یکسوکننده‌ها و اینورترها می‌باشد. به عنوان نمونه جریان و هارمونیک منبع تغذیه سوئیچینگ که در ورودی شبکه‌ای با حدود ۳۰ کامپیوتر قرار دارد در شکل شماره ۱–۲ آورده شده است. جریان ورودی در شبکه‌هایی با بار کامپیوتری که غیرخطی می‌باشند آنچنانکه در زیر نشان داده شده است از هارمونیک بالایی برخوردار است. با توجه به میزان هارمونیک بالای جریان ورودی این بارها لزوم استفاده از یوپی‌اس‌ها با THD پایین برای حذف وکاهش این هارمونیک‌ها قابل درک است.
وسایل فرومغناطیسی
این دسته شامل ترانس‌ها و ماشین‌های الکتریکی می‌باشند.
تجهیزات تخلیه‌ای
شامل لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های بخار سدیم و کوره‌های القایی. از دیگر عوامل تولید هارمونیک‌ها می‌توان به شارژرهای باتری، مبدل‌های فرکانسی، درایورهای سرعت قابل تنظیم (PWM)، بانک‌های خازنی، کامپیوترها، کوره‌های قوس و غیره اشاره نمود.
اثرات هارمونیک‌ها
برای بررسی تاثیر زیان‌بار هارمونیک‌ها می‌توان آنها را به دو دسته کلی تقسیم نمود:
هارمونیک‌های جریان
هارمونیک‌های ولتاژ
هارمونیک‌ها باعث افزایش جریان خازن‌ها، تلفات در ترانسفورمرها، موتورها، هادی‌ها و اختلال در عملکرد سیستم‌های کنترل، حفاظتی و ارتباطی می‌گردند. هارمونیک‌های ایجاد شده توسط بارهای غیرخطی می‌توانند بر روی بارهای مرتبط در محل اتصال تاثیر زیادی بگذارند.
تاثیر اصلی هارمونیک‌های ولتاژ به صورت زیر طبقه‌بندی می‌گردد
گرم شدن اضافی ماشین‌ها و کابل‌های برق
خرابی بانک‌های خازنی
اثرات هارمونیک‌های جریان را می‌توان به صورت زیر طبقه‌بندی نمود:
ایجاد تداخل در سیستم‌های مخابراتی که میزان تداخلات بستگی به مسیر و اندازه هارمونیک‌ها دارد.
ایجاد تلفات اضافی در ترانس‌ها و ماشین‌های الکتریکی
افزایش تلفات در خطوط انتقال
از موارد دیگر تاثیر هارمونیک‌ها در وسائل اندازه‌گیری می‌باشد. همچنین هارمونیک‌ها باعث عملکرد نامناسب رله‌ها، کلیدها، فیوزها و سیستم‌های فرمان از راه دور می‌گردند. در یک نتیجه‌گیری کلی می‌توان اثرات هارمونیک‌ها را به چهار دسته اصلی تقسیم نمود.
اثرات بر عایق‌های تجهیزات
اثرات گرمایی بر تجهیزات
عملکرد نامناسب تجهیزات شبکه قدرت
تاثیر روی مدارهای ارتباطی
حذف هارمونیک‌ها
یکی از کاربردی‌ترین روش حذف هارمونیک‌ها استفاده از فیلترها است. وظیفه اصلی یک فیلتر جلوگیری از عبور جریان‌های هارمونیکی یا کاهش آن‌ها در مسیر اصلی است فیلترها به دو دسته کلی اکتیو و پسیو تقسیم می‌شوند.
در این جا به چند نوع فیلتر و دیگر روش‌های اصلاح اثرات منفی هارمونیک‌ها در سیستم اشاره می‌نماییم.
به کار بردن مدارات PFC یا تصحیح ضریب توان که برای حذف هارمونیک‌های جریان و به دنبال آن کاهش هارمونیک ولتاژ در سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرند و وظیفه آنها به حداقل رساندن اعوجاج و کاهش اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان به صورت یک شبیه‌ساز مقاومت است (فیلتر اکتیو).
اضافه نمودن فیلتر شنت در سیستم که کاملا پاسخ آن را تغییر داده و در اکثر موارد، پاسخ را بهبود می‌بخشد. فیلتر شنت هارمونیک‌های جریانی را در نزدیکی منبع تولید اعوجاج اتصال کوتاه نموده و بدین ترتیب علاوه بر برطرف شدن جریان هارمونیک، ضریب قدرت نیز اصلاح می‌گردد همچنین به دلیل صرفه اقتصادی این روش یکی از رایج‌ترین فیلترهای قابل اجرا است.
اضافه نمودن رآکتور خطی یا ترانسفورمر به صورت سری به طور قابل توجهی هارمونیک‌ها را کاهش می‌دهد. رآکتور را بین خازن‌های اصلاح ضریب قدرت و منبع تغذیه قرار می‌دهند تا رزونانس‌های به وجود آمده بین اندوکتانس سیستم و خازن‌های اصلاح ضریب قدرت را بدون تغییر ظرفیت خازن‌ها حذف نماید.
تغییر ظرفیت خازن‌ها، که یکی از کم هزینه‌ترین روش‌ها برای سیستم برق شهر و مصرف‌کننده صنعتی است.
تغییر مکان خازن به نقطه‌ای دیگر از سیستم که دارای امپدانسی متفاوت است.
برداشتن خازن‌ها و به دنبال آن پذیرش اتلاف بالا، ولتاژ کمتر و Power Factor Penalty. در صورتی که این روش بصورت تکنیکالی عملی باشد، از جمله گزینه‌های مطلوب اقتصادی می‌باشد.
با پیشرفت ادوات نیمه‌هادی و امکان استفاده از کنترلرهای پیچیده می‌توان حداکثر کنترل را بر روی شکل موج‌های جریان ورودی یا ولتاژ خروجی یوپی‌اس اعمال نمود.
استانداردهای هارمونیک‌ها
جریان‌های هارمونیک تزریق شده توسط یکی از مصرف‌کنندگان به سیستم می‌تواند بر روی دیگر مصرف‌کنندگان نیز تاثیر منفی داشته باشد. به همین دلیل استانداردهایی برای محدود نمودن میزان تزریق هارمونیک‌های جریان توسط هر مصرف‌کننده تالیف شده است. این استانداردها برای محدود نمودن میزان تزریق هارمونیک مصرف‌کنندگان در سیستم می‌باشند و بیانگر این است که مصرف‌کنندگان نباید اعوجاج ولتاژ غیرقابل قبول را در سیستم تولید نمایند. همچنین محدودیت‌هایی را نیز برای تمامی اعوجاج‌های هارمونیک ولتاژ تولید شده توسط سیستم اعمال می‌نمایند.