هارمونیک و اعوجاج در شبکه های توزیع برق
در سال های اخیر با افزایش بارهای غیر خطی که جریان های غیر سینوسی دارند، مساله کیفیت توان در سیستم های قدرت اهمیت پیدا کرده است. یکی از مشکلات جدی در سیستم های قدرت، افزایش تجهیزات الکترونیکی که در صنعت و مصارف خانگی بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است. کیفیت توان در مراجع، مترادف با قابلیت اطمینان تغذیه، کیفیت سرویس دهی به مشتریان، کیفیت ولتاژ، کیفیت جریان، کیفیت مصرف و . . . تعریف شده است. با مقایسه تعاریف فوق می توان دریافت که کیفیت توان به نوعی بیانگر کیفیت ولتاژ و جریان می باشد. بنابراین، ابتدا می بایست دلایل نیاز به کیفیت توان بررسی شود و سپس کنترل آن و ادوات مربوطه مورد بررسی قرار گیرند. شبکه های الکتریکی و مصرف کننده ها بر اساس ولتاژ سینوسی با دامنه و فرکانس ثابت طراحی می گردند. هر گونه انحراف از این حالت ایده آل بعنوان یک اغتشاش شناخته شده و می تواند باعث اختلال در کار شبکه و مصرف کننده ها گردد. مجموعه روش های دسته بندی، اندازه گیری و بهبود اغتشاشات فوق الذکر در مبحثی تحت عنوان کیفیت توان مورد مطالعه قرار می گیرند.
بروز هارمونيك در سيستمهاي قدرت اولين پيامد عناصرغيرخطي در شبكه است. به خاطر گسترش فزاينده استفاده از عناصر غيرخطي، مانند راه اندازها (درايورهاي تنظيم سرعت) و مبدلهاي الكترونيك قدرت، مقدار هارمونيكهاي جريان و ولتاژ به طور چشمگيري افزايش يافته است و بنابراين اهميت موضوع كاملاً مشخص است.
به نظر برخي ازمحققين، اعوجاج هارمونيكي هنوز مهمترين مسئلـه كيفيت برق ميباشد. مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين معمولي طراحي سيستمهاي قدرت و عملكرد آن، تحت فركانس اصلي مغاير است. بنابراين مهندس برق با پديده هاي ناآشنايي روبرو ميشود كه نياز به ابزار پيچيده و تجهيزات پيشرفته براي حل مشكلات و تجزيه و تحليل آنها دارد. گرچه تحليل مسائل هارمونيكي مي تواند دشوار باشد، ولي خوشبختانه همة سيستم قدرت داراي مشكل هارمونيكي نيست و فقط درصد كمي از فيدرهاي مربوط به سيستمهاي توزيع تحت تأثير عوامل ناشي از هارمونيكها قرار مي گيرند. مشتركين برق در صورت وجود هارمونيكها مشكلات زيادتري را تحمل ميكنند. مشتركين صنعتي كه ازمحركه هاي موتور با قابليت تنظيم سرعت، كورههاي قوس الكتريكي، كورههاي القايي، يكسوكنندهها، اينورترها، دستگاههاي جوش و نظاير آن استفاده ميكنند، نسبت به مسائل ناشي از اعوجاج هارمونيكي ضربه پذيرتر از بقية مشتركين مي باشند.
اعوجاج هارمونيكي يك پديده جديد در سيستمهاي قدرت به شمار نمي رود. جستجوي منابع و تحقيقات دهه هاي قبل نشان ميدهد كه مقالات مختلفي در رابطه با اين موضوع انتشار يافته است. اولين منابع هارمونيكي شناخته شده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستمهاي تلفن پديد آمد. استفاده گروهي از لامپهاي قوس الكتريك به دليل مؤلفه هاي هارمونيكي توجهات خاصي را برانگيخت ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدلهاي الكترونيك قدرت در سالهاي اخير نبوده است.
سطوح هارمونيك هاي جريان و ولتاژ در سيستم توزيع دائم در حال افزايش است، يك دليل مهم گسترش وسائلي است كه توليد هارمونيك مي نمايند. وسايل كنترل كننده تريستوري مثال نمونه ايست كه در سطوح قدرت صنعتي، تجاري و خانگي در حد وسيعي مورد استفاده قرار گرفته است، اين وسايل براي كنترل ولتاژ، تغيير فركانس و مبدل قدرت بكار برده مي شوند و عموماً به سبب قيمت پائين تر، بازده بيشتر و نگهداري ساده تر جايگزين ديگر وسايل شده اند. دليل ديگر افزايش هارمونيكها، ازدياد تحريك ترانسفورماتورهاي توزيع است كه كاربردپذيري آنها عملاً بيشتر و بيشتر ميشود. دليل سوم استفاده از خازنهاي موازي را مي توان نام برد، خازنها در هيچ شرايطي توليد هارمونيك نمي نمايند. اما نصب خازنهاي تصحيح كننده ضريب قدرت مسائل پتانسيلي را افزايش و حضور آنها در مدار القائي اساساً امكان حلقه هاي شبكه را براي تشديد محلي ، عمومي يا بزرگ سازي هارمونيك مهيا مي سازد.
علت ايجاد اعوجاج هارمونيكي
يكي از دلايل اعوجاج هارمونيكي در سيستمهاي قدرت ترانسفورماتورها مي باشند كه با به اشباع رفتن ترانسها مي توانند ايجاد شوند. اعوجاج هارمونيكي در سيستمهاي قدرت ناشي از عناصر غيرخطي نيز مي باشد. عنصر غيرخطي عنصري است كه جريان آن متناسب با ولتاژ اعمالي نمي باشد افزايش چند درصدي ولتاژ ممكن است باعث شود كه جريان دو برابر شده و نيز موج جريان شكل ديگري به خود بگيرد. اين مورد ساده اي از منبع توليد اعوجاج در سيستم قدرت مي باشد. هر شكل موج اعوجاجي پريوديك را مي توان به صورت جمع موجهاي سينوسي بيان نمود. يعني وقتي كه شكل موج از يك سيكل به سيكل ديگر تغيير نكند، اين موج را ميتوان به صورت جمع امواج سينوسي خالص كه درآن فركانس هر موج سينوسي، مضرب صحيحي از فركانس اصلي موج اعوجاجي است نمايش داد. اين موجهاي سينوسي را هارمونيكهاي مؤلفه اصلي مي گويند. جمع اين موجهاي سينوسي به سري فوريه معروف است اين مفهوم رياضي اولين بار توسط فوريه رياضيدان فرانسوي مورد توجه قرارگرفت.
پيدايش عناصر نيمه هادي و المانهاي غيرخطي نظير ديود، تريستور و ... و استفادة فراوان از آنها درشبكه هاي قدرت عامل جديدي براي ايجاد هارمونيكها در سيستمهاي قدرت مي باشد. كاربرد اين عناصر را ميتوان در تجهيزات و سيستمهاي قدرت زير ديد:
- كورههاي قوس الكتريكي و القايي
- يكسوكنندهها و مبدلهاي الكترونيك قدرت
- تجهيزات مورد استفاده در كنترلكنندههاي سرعت ماشينهاي الكتريكي
- كاربرد SVC بعنوان ابزار مهمي دركنترل توان راكتيو
- بارهاي غيرخطي شامل دستگاههاي جوشكاري
- جريان مغناطيسي ترانسفورماتور
از سوي ديگر عوامل زير را نيز ميتوان به عنوان توليدكنندة هارمونيك در نظر گرفت:
- توليد شكل موج غير سينوسي توسط ماشينهاي سنكرون ناشي از وجود شيارها و عدم توزيع يكنواخت سيم پيچي هاي استاتور
- توزيع غير سينوسي فوران مغناطيسي در ماشينهاي سنكرون همچنين صنايع زير را ميتوان از جمله عوامل توليد هارمونيك در شبكه هاي الكتريكي محسوب نمود:
- صنايع شامل مجتمع هاي شيميايي و پتروشيمي و نيز صنايع ذوب آلومينيم كه از يكسوكنندههاي پرقدرت براي توليد برق DC مورد نيـاز انجام فرآيندهاي شيميـائي و ذوب آلومينيـم استفـاده ميكنند. با توجـه به قـدرت بالا، اين يكسـوكنندهها هارمونيك قابل ملاحظه هاي در شبكة قدرت به وجود مي آورند.
