هارمونیک چیست و در شبکه برق چگونه ایجاد می‌شود؟

هارمونیک چیست و در شبکه برق چگونه ایجاد می‌شود؟ علت‌ها، اثرات و روش‌های کاهش هارمونیک

هارمونیک در شبکه برق یکی از مهم‌ترین عوامل کاهش کیفیت توان الکتریکی است که می‌تواند باعث افزایش دمای تجهیزات، اختلال در عملکرد دستگاه‌های الکتریکی، افزایش تلفات انرژی و حتی خرابی زودهنگام برخی قطعات شود. با گسترش استفاده از تجهیزات الکترونیکی، درایوهای کنترل دور موتور، منابع تغذیه سوئیچینگ و سیستم‌های روشنایی LED، شناخت هارمونیک‌ها و روش‌های کنترل آن‌ها اهمیت بیشتری پیدا کرده است.

در این مقاله از پارسانور بررسی می‌کنیم هارمونیک چیست، چگونه در شبکه برق به وجود می‌آید، چه تأثیری بر تجهیزات دارد، چگونه اندازه‌گیری می‌شود و با چه روش‌هایی می‌توان آن را کاهش داد.

هارمونیک چیست؟

هارمونیک در سیستم برق، مؤلفه‌ای از ولتاژ یا جریان متناوب است که فرکانس آن مضرب صحیحی از فرکانس اصلی شبکه برق است.

برای مثال، در شبکه برق با فرکانس اصلی ۵۰ هرتز، فرکانس هارمونیک‌های مختلف به این صورت محاسبه می‌شود:

مرتبه هارمونیک	فرکانس
هارمونیک اول (اصلی)	۵۰ هرتز
هارمونیک دوم	۱۰۰ هرتز
هارمونیک سوم	۱۵۰ هرتز
هارمونیک پنجم	۲۵۰ هرتز
هارمونیک هفتم	۳۵۰ هرتز
هارمونیک یازدهم	۵۵۰ هرتز
هارمونیک سیزدهم	۶۵۰ هرتز

فرکانس هر هارمونیک از ضرب مرتبه آن در فرکانس اصلی شبکه به دست می‌آید.

فرمول محاسبه فرکانس هارمونیک:

فرکانس هارمونیک = مرتبه هارمونیک × فرکانس اصلی شبکه

برای مثال، فرکانس هارمونیک پنجم در شبکه ۵۰ هرتز برابر است با:

۵ × ۵۰ = ۲۵۰ هرتز

هارمونیک اول همان مؤلفه اصلی شبکه است و مؤلفه‌های با مرتبه بالاتر، هارمونیک نامیده می‌شوند.

در یک شبکه برق ایده‌آل، شکل موج ولتاژ و جریان سینوسی است. هنگامی که هارمونیک‌ها به شکل موج اضافه می‌شوند، شکل موج از حالت سینوسی ایده‌آل فاصله می‌گیرد و دچار اعوجاج می‌شود.

نکته مهم این است که هارمونیک با نوسان ولتاژ یا تغییر فرکانس شبکه یکسان نیست. هارمونیک به وجود مؤلفه‌هایی با فرکانس‌های مضرب فرکانس اصلی مربوط می‌شود.

هارمونیک چگونه در شبکه برق ایجاد می‌شود؟

مهم‌ترین علت ایجاد هارمونیک، استفاده از بارهای غیرخطی است.

بار خطی باری است که در شرایط کاری مشخص، جریان آن تقریباً متناسب با ولتاژ اعمال‌شده تغییر می‌کند. در مقابل، بار غیرخطی حتی با وجود ولتاژ سینوسی می‌تواند جریان غیرسینوسی از شبکه دریافت کند.

این جریان غیرسینوسی با عبور از امپدانس شبکه، افت ولتاژ هارمونیکی ایجاد می‌کند. در نتیجه، ولتاژ نقاط مختلف شبکه نیز ممکن است از شکل سینوسی ایده‌آل فاصله بگیرد.

۱. منابع تغذیه سوئیچینگ

بسیاری از تجهیزات الکترونیکی مانند رایانه‌ها، تلویزیون‌ها، شارژرها و دستگاه‌های دارای منبع تغذیه سوئیچینگ، جریان را به‌صورت پیوسته و سینوسی از شبکه دریافت نمی‌کنند.

در برخی از این تجهیزات، جریان در بازه‌های کوتاه و به شکل پالس دریافت می‌شود. این رفتار می‌تواند موجب تولید هارمونیک‌های جریان شود.

۲. درایوهای کنترل دور موتور

درایوهای فرکانس متغیر یا اینورترهای کنترل دور موتور برای تنظیم سرعت و گشتاور موتور از مدارهای الکترونیکی قدرت استفاده می‌کنند.

بخش یکسوساز این تجهیزات، بسته به طراحی، تعداد پالس‌ها و شرایط کاری، می‌تواند هارمونیک‌هایی را به شبکه تزریق کند. در کارخانه‌ها و کارگاه‌هایی که تعداد زیادی درایو به‌طور هم‌زمان فعالیت می‌کنند، بررسی هارمونیک اهمیت ویژه‌ای دارد.

۳. سیستم‌های روشنایی LED

چراغ‌ها و پنل‌های LED دارای مدارهای درایور الکترونیکی هستند. کیفیت طراحی درایور، توان چراغ و وجود مدار اصلاح ضریب توان می‌توانند بر میزان اعوجاج جریان اثر بگذارند.

بنابراین، نمی‌توان تمام چراغ‌های LED را دارای هارمونیک زیاد دانست؛ میزان هارمونیک به مشخصات و کیفیت مدار تغذیه آن‌ها بستگی دارد.

۴. دستگاه‌های جوشکاری و کوره‌های الکتریکی

برخی دستگاه‌های جوشکاری الکترونیکی، کوره‌های القایی و تجهیزات صنعتی دارای یکسوسازهای قدرت، جریان‌های غیرسینوسی ایجاد می‌کنند. تغییرات سریع بار نیز می‌تواند شرایط شبکه را پیچیده‌تر کند.

۵. یکسوسازها و تجهیزات الکترونیک قدرت

یکسوکننده‌ها، شارژرهای صنعتی، UPSها و برخی سیستم‌های خورشیدی متصل به شبکه می‌توانند بسته به توپولوژی، فیلترها و شرایط بهره‌برداری، منبع تولید هارمونیک باشند.

به همین دلیل، در ساختمان‌ها و واحدهای صنعتی دارای تعداد زیادی تجهیزات الکترونیکی، بررسی کیفیت توان اهمیت زیادی دارد.

انواع هارمونیک در شبکه برق

هارمونیک‌ها را می‌توان بر اساس مرتبه و رفتارشان در سیستم سه‌فاز دسته‌بندی کرد.

هارمونیک‌های فرد

هارمونیک‌های فرد شامل مرتبه‌های سوم، پنجم، هفتم، نهم و مانند آن هستند. در بسیاری از شبکه‌های دارای بار غیرخطی، هارمونیک‌های فرد سهم قابل‌توجهی دارند.

هارمونیک‌های زوج

هارمونیک‌های زوج شامل مرتبه‌های دوم، چهارم، ششم و مانند آن هستند. وجود قابل‌توجه آن‌ها ممکن است در برخی شرایط نشانه عدم تقارن یا رفتار غیرعادی مدار باشد؛ البته تفسیر آن به نوع بار و شرایط اندازه‌گیری وابسته است.

هارمونیک‌های سه‌گانه

هارمونیک‌های سه‌گانه شامل هارمونیک‌های مرتبه سوم، نهم، پانزدهم و سایر مضرب‌های فرد سه هستند.

این هارمونیک‌ها در سیستم‌های سه‌فاز چهار سیمه اهمیت ویژه‌ای دارند؛ زیرا مؤلفه‌های هم‌فاز آن‌ها می‌توانند در سیم نول با یکدیگر جمع شوند و جریان نول را افزایش دهند.

برای مثال، در یک ساختمان اداری که تعداد زیادی رایانه، چراغ LED و منابع تغذیه سوئیچینگ دارد، بررسی هارمونیک سوم و جریان سیم نول می‌تواند در عیب‌یابی مفید باشد.

در شبکه‌های سه‌فاز، هارمونیک پنجم معمولاً توالی منفی و هارمونیک هفتم معمولاً توالی مثبت دارد. این ویژگی‌ها در بررسی آثار هارمونیک بر موتورهای سه‌فاز اهمیت دارند.

هارمونیک چه مشکلاتی در شبکه برق ایجاد می‌کند؟

وجود هارمونیک در سطح قابل‌توجه می‌تواند آثار مختلفی بر تجهیزات و شبکه داشته باشد.

۱. افزایش تلفات و گرما

جریان‌های هارمونیکی می‌توانند تلفات اهمی کابل‌ها، سیم‌پیچ‌ها و برخی تجهیزات را افزایش دهند. این مسئله ممکن است باعث بالا رفتن دمای تجهیزات و کاهش راندمان سیستم شود.

۲. داغ شدن ترانسفورماتور

هارمونیک‌ها می‌توانند تلفات اضافی در سیم‌پیچ‌ها و بخش‌های مغناطیسی ترانسفورماتور ایجاد کنند. در شرایط نامناسب، این مسئله ممکن است ظرفیت قابل‌استفاده ترانسفورماتور را کاهش دهد.

۳. افزایش جریان سیم نول

در سیستم‌های سه‌فاز چهار سیمه، هارمونیک‌های سه‌گانه ممکن است در سیم نول با یکدیگر جمع شوند. بنابراین، حتی اگر بارهای سه فاز تا حدی متعادل باشند، جریان نول می‌تواند قابل‌توجه باشد.

۴. اختلال در عملکرد تجهیزات حفاظتی و اندازه‌گیری

اعوجاج شکل موج می‌تواند بر عملکرد برخی رله‌ها، تجهیزات اندازه‌گیری یا سیستم‌های حفاظتی اثر بگذارد. میزان این اثر به طراحی دستگاه، روش اندازه‌گیری و سطح اعوجاج بستگی دارد.

۵. احتمال تشدید در شبکه

ترکیب خازن‌های اصلاح ضریب توان با اندوکتانس شبکه ممکن است در برخی فرکانس‌ها باعث تشدید و افزایش سطح هارمونیک شود. این شرایط می‌تواند به خازن‌ها و تجهیزات متصل آسیب برساند.

۶. کاهش عمر تجهیزات

افزایش دما، تلفات اضافی و تنش الکتریکی در شرایط نامناسب می‌تواند عمر مفید برخی تجهیزات را کاهش دهد.

البته وجود هر مقدار هارمونیک الزاماً به معنای خرابی تجهیزات نیست. میزان اعوجاج، نوع بار، امپدانس شبکه و حدود مجاز استانداردها در ارزیابی خطر تعیین‌کننده هستند.

THD چیست و چه ارتباطی با هارمونیک دارد؟

THD مخفف عبارت Total Harmonic Distortion و به معنی «اعوجاج هارمونیکی کل» است. این شاخص برای بیان میزان مؤلفه‌های هارمونیکی نسبت به مؤلفه اصلی استفاده می‌شود.

به زبان ساده، THD نشان می‌دهد که مجموع هارمونیک‌های اندازه‌گیری‌شده چه اندازه نسبت به مؤلفه اصلی ولتاژ یا جریان اهمیت دارند.

فرمول محاسبه THD ولتاژ

THD ولتاژ از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

THD ولتاژ (%) = [√(V₂² + V₃² + … + Vₕ²) ÷ V₁] × ۱۰۰

فرمول محاسبه THD جریان

THD جریان از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

THD جریان (%) = [√(I₂² + I₃² + … + Iₕ²) ÷ I₁] × ۱۰۰

در این روابط:

• V₁: مقدار مؤثر مؤلفه اصلی ولتاژ
• V₂، V₃ و سایر مقادیر V: مقادیر مؤثر هارمونیک‌های ولتاژ
• I₁: مقدار مؤثر مؤلفه اصلی جریان
• I₂، I₃ و سایر مقادیر I: مقادیر مؤثر هارمونیک‌های جریان
• h: مرتبه هارمونیک
• H: بالاترین مرتبه هارمونیک در نظر گرفته‌شده در محاسبه

در این فرمول‌ها، مقادیر ولتاژ یا جریان هارمونیکی به‌صورت مؤثر (RMS) در نظر گرفته می‌شوند.

مثال کاربردی محاسبه THD جریان

فرض کنید جریان اصلی یک دستگاه برابر ۲۰ آمپر باشد و مقادیر هارمونیک‌های آن به شرح زیر اندازه‌گیری شوند:

مؤلفه جریان	مقدار
جریان اصلی	۲۰ آمپر
هارمونیک سوم	۴ آمپر
هارمونیک پنجم	۳ آمپر
هارمونیک هفتم	۲ آمپر

با فرض اینکه سایر هارمونیک‌ها ناچیز باشند، ابتدا مجموع مربعات مقادیر هارمونیکی را محاسبه می‌کنیم:

۴² + ۳² + ۲² = ۱۶ + ۹ + ۴ = ۲۹

سپس ریشه دوم این مقدار را به دست می‌آوریم:

√۲۹ ≈ ۵٫۳۹

اکنون مقدار به‌دست‌آمده را بر جریان اصلی تقسیم کرده و در ۱۰۰ ضرب می‌کنیم:

THD جریان (%) = (۵٫۳۹ ÷ ۲۰) × ۱۰۰

نتیجه نهایی: THD جریان تقریباً برابر با ۲۶٫۹ درصد است.

این عدد نشان‌دهنده میزان اعوجاج جریان در مثال فرضی ماست. با این حال، برای تشخیص مجاز یا غیرمجاز بودن شرایط شبکه باید محل اندازه‌گیری، سطح اتصال کوتاه و معیار استاندارد مربوط نیز بررسی شوند.

چگونه هارمونیک شبکه برق را اندازه‌گیری کنیم؟

برای بررسی دقیق هارمونیک، معمولاً از آنالایزر کیفیت توان یا پاورآنالایزر دارای قابلیت اندازه‌گیری هارمونیک استفاده می‌شود.

مراحل پیشنهادی بررسی عبارت‌اند از:

۱. انتخاب نقطه اندازه‌گیری: معمولاً تابلو اصلی، ورودی کارخانه یا نقطه اتصال مشترک با شبکه بررسی می‌شود.

۲. اندازه‌گیری ولتاژ و جریان: مقدار مؤلفه اصلی، هارمونیک‌های هر مرتبه و THD ثبت می‌شوند.

۳. بررسی شرایط بار: اندازه‌گیری در حالت‌های مختلف بار، مانند بار کم و بار زیاد، انجام می‌شود؛ زیرا هارمونیک‌ها ممکن است با شرایط کار تغییر کنند.

۴. بررسی سیم نول و ترانسفورماتور: در شبکه‌های سه‌فاز، جریان نول و دمای تجهیزات نیز در صورت لزوم بررسی می‌شوند.

۵. مقایسه با معیار مناسب: نتایج با استاندارد مرتبط و شرایط واقعی شبکه مقایسه می‌شوند.

اندازه‌گیری ساده با مولتی‌متر معمولی برای تشخیص و تحلیل کامل هارمونیک کافی نیست؛ به‌خصوص اگر دستگاه قابلیت True RMS و تحلیل طیفی نداشته باشد.

روش‌های کاهش هارمونیک در شبکه برق

راهکار مناسب برای کاهش هارمونیک به نوع منبع، مقدار اعوجاج، ساختار شبکه و هزینه اجرای اصلاحات بستگی دارد.

۱. استفاده از فیلتر هارمونیک

فیلترهای هارمونیکی می‌توانند برای کاهش مؤلفه‌های مشخص جریان یا ولتاژ هارمونیکی به کار روند.

فیلتر غیرفعال: معمولاً از ترکیب سلف، خازن و گاهی مقاومت تشکیل می‌شود و برای محدوده فرکانسی مشخص طراحی می‌شود.

فیلتر فعال: با اندازه‌گیری جریان و تزریق جریان جبرانی، می‌تواند بخشی از هارمونیک‌ها را کاهش دهد.

فیلتر ترکیبی: در برخی کاربردها از ترکیب روش‌های فعال و غیرفعال استفاده می‌شود.

انتخاب فیلتر باید بر اساس اندازه‌گیری و مطالعه شبکه انجام شود. نصب خودسرانه خازن یا فیلتر نامناسب ممکن است مشکل تشدید را تشدید کند.

۲. انتخاب تجهیزات با اعوجاج کمتر

استفاده از درایوها، UPSها، منابع تغذیه و چراغ‌های LED با مشخصات مناسب کیفیت توان می‌تواند در کاهش هارمونیک مؤثر باشد.

در زمان خرید تجهیزات، اطلاعات مربوط به THD جریان، ضریب توان و استانداردهای مرتبط را بررسی کنید. کیفیت طراحی مدار ورودی تجهیزات می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر میزان هارمونیک داشته باشد.

۳. استفاده از راکتور خط یا چوک DC

در برخی درایوها و یکسوسازها، راکتور ورودی یا چوک مدار DC می‌تواند شکل جریان ورودی را بهبود دهد و هارمونیک‌ها را کاهش دهد.

میزان تأثیر آن به ساختار دستگاه، نوع یکسوساز و شرایط شبکه بستگی دارد؛ بنابراین، انتخاب آن باید بر اساس مشخصات فنی انجام شود.

۴. تقسیم مناسب بارها

توزیع مناسب بارهای غیرخطی میان تابلوها و مدارهای مختلف می‌تواند مدیریت جریان‌ها و کاهش برخی مشکلات بهره‌برداری را آسان‌تر کند.

با این حال، تقسیم بار به‌تنهایی تضمین نمی‌کند که هارمونیک‌ها حذف شوند. در برخی شرایط، هارمونیک‌های تولیدشده توسط بارهای مختلف همچنان در شبکه باقی می‌مانند.

۵. بررسی بانک خازنی اصلاح ضریب توان

بانک خازنی معمولی لزوماً فیلتر هارمونیک نیست. در حضور هارمونیک‌ها، بانک خازنی ممکن است با امپدانس شبکه وارد شرایط تشدید شود.

در شبکه‌های آلوده به هارمونیک، باید طراحی بانک خازنی، راکتورهای ضدتشدید و شرایط بهره‌برداری توسط متخصص بررسی شود. انتخاب ظرفیت خازن بدون توجه به وضعیت هارمونیکی شبکه ممکن است باعث افزایش مشکلات شود.

تفاوت هارمونیک جریان و هارمونیک ولتاژ چیست؟

هارمونیک جریان معمولاً به دلیل رفتار بارهای غیرخطی ایجاد می‌شود. این جریان‌ها با عبور از امپدانس شبکه، افت ولتاژ هارمونیکی به وجود می‌آورند؛ بنابراین، هارمونیک ولتاژ تا حد زیادی به میزان جریان هارمونیکی و امپدانس شبکه وابسته است.

برای مثال، یک دستگاه جوشکاری ممکن است جریان هارمونیکی زیادی بکشد. اگر امپدانس شبکه بالا باشد، این جریان می‌تواند اعوجاج ولتاژ بیشتری ایجاد کند. در یک شبکه قوی‌تر با امپدانس کمتر، اعوجاج ولتاژ ناشی از همان جریان ممکن است کمتر باشد.

به‌طور خلاصه، هارمونیک جریان بیشتر به رفتار بارهای غیرخطی مربوط است، در حالی که میزان هارمونیک ولتاژ علاوه بر جریان هارمونیکی، به ویژگی‌های شبکه نیز وابستگی دارد.

حدود مجاز هارمونیک در شبکه برق چقدر است؟

برای ارزیابی هارمونیک باید از استاندارد متناسب با نوع شبکه و محل اندازه‌گیری استفاده کرد. استاندارد IEEE 519 یکی از مراجع شناخته‌شده برای کنترل اعوجاج هارمونیکی در سیستم‌های قدرت است. مجموعه استانداردهای IEC 61000 نیز اسناد مرتبط با سازگاری الکترومغناطیسی و کیفیت توان را در بر می‌گیرد.

نکته مهم این است که یک حد ثابت برای تمام تجهیزات و همه نقاط شبکه وجود ندارد. معیارهای ارزیابی ولتاژ و جریان متفاوت‌اند و حدود جریان در IEEE 519 به عواملی مانند نسبت جریان اتصال کوتاه به جریان بار در نقطه اتصال مشترک وابسته است.

به همین دلیل، صرفاً مشاهده THD جریان بالا در ورودی یک دستگاه برای نتیجه‌گیری درباره نقض استاندارد کافی نیست؛ باید نقطه اندازه‌گیری و معیار مربوط به همان نقطه مشخص باشد.

آیا هارمونیک باعث افزایش مصرف برق می‌شود؟

هارمونیک‌ها می‌توانند با افزایش تلفات در کابل‌ها، ترانسفورماتورها و برخی تجهیزات، مصرف انرژی را افزایش دهند. با این حال، میزان این افزایش به شدت هارمونیک، نوع تجهیزات و شرایط بهره‌برداری بستگی دارد.

همچنین، THD بالا به‌تنهایی نشان‌دهنده مقدار مشخصی از افزایش مصرف برق نیست. برای محاسبه تلفات اضافی باید جریان، مقاومت تجهیزات، طیف هارمونیکی و سایر شرایط سیستم بررسی شوند.

بنابراین، اگر در یک واحد صنعتی مصرف برق افزایش یافته است، بررسی هارمونیک می‌تواند بخشی از فرایند عیب‌یابی باشد، اما باید عواملی مانند تغییر میزان تولید، بار تجهیزات، ضریب توان و راندمان دستگاه‌ها نیز بررسی شوند.

جمع‌بندی

هارمونیک یکی از مسائل مهم کیفیت توان در شبکه‌های برق امروزی است که عمدتاً در اثر بارهای غیرخطی مانند درایوهای کنترل دور، منابع تغذیه سوئیچینگ، UPSها و برخی تجهیزات روشنایی ایجاد می‌شود.

هارمونیک‌های زیاد می‌توانند تلفات و دمای تجهیزات را افزایش دهند، جریان نول را بالا ببرند و در شرایط خاص باعث تشدید یا اختلال در عملکرد تجهیزات شوند.

برای مدیریت این مشکل، ابتدا باید هارمونیک‌ها با ابزار مناسب اندازه‌گیری شوند و سپس با توجه به شرایط واقعی شبکه، از راهکارهایی مانند فیلترهای فعال یا غیرفعال، راکتورهای مناسب و انتخاب تجهیزات با کیفیت توان بهتر استفاده کرد.

توصیه کاربردی پارسانور: اگر در یک کارخانه یا ساختمان صنعتی با داغ شدن غیرعادی ترانسفورماتور، جریان بالای سیم نول یا مشکلات مکرر بانک خازنی روبه‌رو هستید، بررسی هارمونیک‌ها می‌تواند یکی از مراحل مهم عیب‌یابی باشد؛ اما تشخیص نهایی باید با اندازه‌گیری و بررسی سایر عوامل احتمالی انجام شود.

منابع و استانداردهای پیشنهادی برای مطالعه بیشتر

• استاندارد IEEE 519: الزامات و توصیه‌های کنترل هارمونیک در سیستم‌های قدرت.
• مجموعه استانداردهای IEC 61000: مباحث سازگاری الکترومغناطیسی و کیفیت توان.