برای فهم بهتر موضوع هارمونیک باید به انتهای قرن نوزدهم بازگردیم، زمانی که تقاضا جهت مصرف برق افزایش یافت و منجر به تامین منبع تغذیه عمومی گردید. تضاد بین دو مفهوم انتقال AC و انتقال DC برق منجر به “جنگ جریان‌ها” در سال 1890 شد. هر دو فناوری ترویج و نصب شدند اما در نهایت این جنگ با پیروزی حامیان فناوری AC به اتمام رسید. دلیل اصلی این اتفاق توانایی انتقال انرژی در فواصل طولانی توسط ترانسفورماتورها بود. آقای جورج وستینگهاوس با شناخت مزایای جریان AC حق ثبت اختراع ترانسفورماتور که در سال 1885 با عنوان “ژنراتور ثانویه” ثبت گردید را از لوسین گاولارد و جان گیبس خریداری کرد و در ادامه پیروزی جریان متناوب نهایی گردید. در آن زمان هدف اصلی الکتریسیته و برق، تامین بارهای خطی مانند ماشین‌های الکتریکی ساده بود، بنابراین معایب جریان متناوب قابل پیشبینی نبود. با افزایش بارهای غیر خطی و اضافه شدن ادوات نیمه‌هادی، اکنون با این چالش مواجه هستیم تا منبع تغذیه متناوب خود را کاملا تمیز و سینوسی نگه داریم یا حداقل استانداردهای معرفی شده برای آن را رعایت کنیم. در ادامه به بررسی بارهای خطی و غیرخطی، معرفی هارمونیک و اعوجاج‌های هارمونیکی و مشکلات آن و .. می‌پردازیم. بعد از مطالعه این مقاله تا حد خوبی با مبحث هارمونیک آشنا شده و می‌توانید به طور تخصصی درباره آن اظهار نظر کنید.
بارهای خطی و غیر خطی
بارهای الکتریکی که در آن شکل موج جریان و ولتاژ متناسب نباشند، بارهای غیر خطی نامیده می‌شوند. بارهای خطی سینوسی خالص و مقاومتی،خازنی یا القایی هستند. شکل های زیر تفاوت بین بارهای خطی و غیرخطی را به خوبی نمایش می‌دهند.
بارهایی مانند شکل 1.2 و 1.3 سینوسی خالص هستند. در برخی مقالات از اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان به عنوان ضریب قدرت یاد می‌شود در حالی که این تعریف برای شکل موج‌های بدون اعوجاج صحیح است و در صورت وجود هارمونیک‌هایی غیر از هارمونیک مرتبه اول این ضریب در واقع ضریب قدرت جا به جایی یا DF است. بنابراین برای بررسی دقیق‌تر و تخخصی‌تر این موضوع ضریب قدرت واقعی را به صورت PF تعریف می‌کنیم. روابط زیر جهت محاسبه ضریب قدرت واقعی و ضریب قدرت جا به جایی ارائه می‌شوند.
که در آن منظور از V1 و i1 ولتاژ و جریان هارمونیک مولفه اصلی هستند. در شرایطی که شکل موج کاملا سینوسی باشد، مقادیر DF و PF برابر هستند. البته در یک سیستم واقعی هرگز این اتفاق نخواهد افتاد. در ادامه تجهیزاتی برای اصلاح فاز یا همان DF تحت عنوان PFCها معرفی شدند که به اشتباه اصلاح کنندگان ضریب قدرت نامیده می‌شوند اما در اصل DF را تصحیح می‌کنند. شکل زیر انواع اعوجاج‌های موجود در منبع تغذیه اصلی را نمایش می‌دهد.
در این مقاله به بررسی اعوجاج‌های هارمونیک، به ویژه اعوجاج‌های ناشی از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) خواهیم پرداخت. می‌توان گفت با بهبود اعوجاج‌های هارمونیک، باقی اعوجاج‌های سیستم نیز تا حد خوبی کاهش داده می‌شوند.
هارمونیک‌ها
در حالت ایده‌آل همه بارها و منابع یک شکل موج جریان سینوسی خالص دارند اما متاسفانه شکل موج واقعی اکثر تجهیزات بسیار متفاوت است. بارهای غیر خطی مانند جریان ورودی یک درایو با یکسوساز 6 پالسه (شکل 1.4) باعث ایجاد اعوجاج در ولتاژ شبکه می‌شوند. این اعوجاج را با معیاری به نام THD برای هارمونیک مرتبه 2 تا 40 بررسی می‌کنند. از نظر ریاضی و سری فوریه قطعا شکل موج ما دارای هارمونیک‌های مرتبه بالاتر است اما در کاربرد درایو که شامل اینورتر و یکسوساز است بررسی هارمونیک‌ها تا مرتبه 40 کافی است. همچنین هارمونیک‌ها بر اساس مضربی از هارمونیک مولفه اصلی بیان می‌شوند یعنی هارمونیک دومی ضریب 2 هارمونیک اصلی است. هارمونیک‌ها برای شکل منبع تغذیه 50 هرتز برق شهر به صورت زیر تعریف می‌شوند:
پیش از آنکه جلوتر برویم تبدیل فوریه را تعریف می‌کنیم. تبدیل فوریه در اصل تابعی از زمان را به فرکانس‌های مجزا تقسیم می‌کند. به کلام ساده‌تر هر سیگنال متناوب به صورت ضرب تعدادی جمله سینوسی و کسینوسی که بیانگر هارمونیک‌های آن سیگنال هستند، نوشت. جدول زیر نیز بیانگر این موضوع است.
اعوجاج هارمونیک
همانطور که در شکل 1.4 دیدیم، شکل موج جریان ورودی یک درایو با چوک DC (سلف به عنوان فیلتر هارمونیک در سمت باس DC) بسیار دورتر از سینوسی است و جریان ورودی درایوها با چوک AC نیز تقریبا مشابه است. شکل موج جریان ورودی یک درایو بدون چوک به مراتب بدتر از شکلی است که پیش از این دیدیم. اگرچه منابع مختلفی برای تولید اعوجاج هارمونیک وجود دارد اما عمده آن توسط درایوهای فرکانس متغیر (VFD) ایجاد می‌شود. بنابراین نیازمند راه حلی مطمئن جهت بهبود این اعوجاج هستیم. همانطور که در قسمت قبل اشاره شد، هارمونیک‌های مورد بحث ما از فرکانس 100Hz تا 2kHz هستند. از طرفی با روابط ریاضی می‌توان ثابت کرد که ورودی یکسوکننده 6 پالسه، اعوجاجی در هارمونیک‌های مضرب 3 و هارمونیک‌های زوج ایجاد نخواهد کرد. بنابراین می‌توان گفت هارمونیک‌های مهمی که باید بررسی شوند هارمونیک پنجم، هفتم،یازدهم، سیزدهم، هفدهم و … هستند. اعوجاج هارمونیکی معمولا بر اساس اعوجاج هارمونیک کل یا همان THD برای جریان و ولتاژ به صورت جداگانه بررسی می‌شود.
نتیجه گیری
در بخش اول این مقاله به معرفی هارمونیک و شناخت آن پرداختیم. با توجه به افزایش بارهای غیرخطی در صنعت، نیاز به افزایش دانش تخصصی نیروهای یک شرکت و کارخانه بیش از پیش احساس می‌شود. از این رو شرکت بنیان صنعت تدبیر یکتا نماینده رسمی امترون در ایران و وارد کننده تخصصی فیلترهای هارمونیک Revcon سعی بر این دارد تا با برگزاری جلسات آموزشی و همچنین ارائه مقالات آموزشی، دانش فنی افراد مشغول در صنعت را افزایش دهد. همچنین می‌توانید جهت دریافت مشاوره تخصصی در مورد فیلترهای هارمونیک، درایو امترون، سافت استارتر موکوتک و سافت استارتر امترون، درایوهای ریجنریتیو و درایو ولتاژ متوسط (MV)، انواع سنسورها و ابزار دقیق و قطعات مکانیکی شامل گیربکس و … با متخصصین این شرکت ارتباط بگیرید.
