پدیده هارمونیکها (Harmonics) به یکی از جدیترین چالشها در زمینه کیفیت توان (Power Quality) در شبکههای برق صنعتی تبدیل شده است. با گسترش استفاده از بارهای الکترونیک قدرت غیرخطی (مانند درایوهای سرعت متغیر، یو پی اسها و کورههای القایی)، شکل موج سینوسی ولتاژ و جریان از حالت ایدهآل خود خارج شده و منجر به مشکلات فراوانی میشود. مقابله با این پدیده، بهویژه با استفاده از فیلترهای اکتیو، اکنون یک ضرورت فنی است.
۱. درک پدیده هارمونیکها
الف) تعریف هارمونیکها
هارمونیکها به ولتاژها یا جریانهایی گفته میشود که فرکانس آنها مضرب صحیحی از فرکانس اصلی شبکه (معمولاً 50 یا 60 هرتز) است.
f_h = n times f_fundamental
- f_h: فرکانس هارمونیک
- n: مرتبه هارمونیک (اعداد صحیح 3، 5، 7، 11، dots)
- f_fundamental: فرکانس اصلی شبکه (50 هرتز)
به عنوان مثال، در یک شبکه 50 هرتز، هارمونیک مرتبه پنجم (n=5) دارای فرکانس 250 هرتز خواهد بود.
ب) علل اصلی تولید هارمونیکها (بارهای غیرخطی)
تولید هارمونیکها ناشی از بارهایی است که در طول یک چرخه سینوسی، امپدانس ثابتی ندارند (بارهای غیرخطی). مهمترین منابع هارمونیک در صنعت عبارتند از:
- درایوهای سرعت متغیر (VFD/VSD): بزرگترین تولیدکننده هارمونیک در صنعت، به دلیل استفاده از یکسوکنندههای AC به DC.
- یو پی اسها (UPS): سیستمهای تأمین برق بدون وقفه.
- سیستمهای LED و تجهیزات کامپیوتری: منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS).
- کورههای القایی و یکسوکنندههای پرقدرت.
ج) اثرات مخرب هارمونیکها بر شبکه
حضور هارمونیکها، بهویژه هارمونیکهای مرتبه سوم (3rd) و پنجم (5th)، منجر به مشکلات جدی زیر میشود:
- گرمایش بیش از حد تجهیزات: افزایش جریان RMS و پدیدهای به نام "اثر پوستی" (Skin Effect) در هادیها، باعث گرمایش بیش از حد ترانسفورماتورها، کابلها و موتورها میشود که عمر آنها را به شدت کاهش میدهد.
- اشکال در بانکهای خازنی: هارمونیکها میتوانند با فرکانس طبیعی بانکهای خازنی رزونانس ایجاد کرده و باعث انفجار یا آسیب جدی به خازنها شوند.
- عملکرد نامطلوب تجهیزات کنترلی: اختلال در عملکرد رلهها، کنتورها و تجهیزات اندازهگیری.
- کاهش ضریب توان: هارمونیکها ضریب توان حقیقی را کاهش داده و باعث افزایش جریمههای شرکت برق میشوند.
۲. راهحلهای مقابله با هارمونیکها
مقابله با هارمونیکها به دو روش اصلی (فیلترینگ پسیو و اکتیو) و همچنین روشهای پیشگیرانه تقسیم میشود.
الف) فیلترینگ پسیو (Passive Filters)
این فیلترها از ترکیب سادهای از سلفها (Inductors)، خازنها (Capacitors) و مقاومتها (Resistors) ساخته میشوند که در فرکانس مشخصی (مانند 250 یا 350 هرتز) تنظیم شده و مسیر کمامپدانسی برای عبور هارمونیکهای خاص فراهم میکنند.
- مزایا: طراحی ساده، قیمت اولیه پایینتر.
- معایب: فقط برای حذف یک یا دو فرکانس هارمونیک خاص طراحی میشوند، عملکرد آنها به طور کامل به امپدانس شبکه وابسته است و ممکن است باعث تشدید رزونانس در فرکانسهای دیگر شوند.
ب) فیلترینگ اکتیو (Active Filters) - راهحل نوین
فیلترهای اکتیو (Active Harmonic Filters - AHF) به عنوان راهحل هوشمند و پویا برای مقابله با هارمونیکها شناخته میشوند.
- نحوه عملکرد: فیلتر اکتیو، جریان هارمونیک تولید شده توسط بار غیرخطی را اندازهگیری میکند. سپس، با استفاده از فناوری الکترونیک قدرت، یک جریان معکوس (Cancelling Current) تولید میکند که دقیقاً در فاز 180 درجه مخالف جریان هارمونیک بار است. با تزریق این جریان معکوس به شبکه، جریان هارمونیک اصلی خنثی شده و شکل موج جریان شبکه به حالت سینوسی ایدهآل برمیگردد.
- قابلیت چندمنظوره: AHFها علاوه بر حذف هارمونیکهای ولتاژ و جریان، میتوانند کارهای زیر را نیز انجام دهند:
- اصلاح ضریب توان: تأمین یا جذب توان راکتیو برای بهبود ضریب توان.
- متعادلسازی بار: تصحیح عدم تعادل فازهای سهفاز.
۳. مزایای کلیدی فیلترینگ اکتیو در صنعت
- پاسخگویی پویا (Dynamic Response): AHFها میتوانند تغییرات سریع در بارهای غیرخطی و هارمونیکهای متغیر را تشخیص داده و در میلیثانیه به آنها پاسخ دهند، در حالی که فیلترهای پسیو ثابت هستند.
- عملکرد وسیعالطیف (Wide Band): قابلیت حذف همزمان چندین مرتبه هارمونیک (مثلاً مرتبه 3 تا 50).
- رفع مشکل رزونانس: به دلیل عملکرد به صورت منبع جریان، خطر ایجاد رزونانس با سیستم را از بین میبرند.
- نصب آسان و مدولار: نصب آنها به صورت موازی با بار بوده و در صورت نیاز به افزایش ظرفیت فیلتر، میتوان ماژولهای جدیدی به آن اضافه کرد.
۴. ملاحظات نصب فیلترهای اکتیو
- نقطه اتصال (PoC): فیلتر اکتیو باید در نقطهای از شبکه که بیشترین هارمونیکها در آن جمع میشوند (معمولاً تابلوی اصلی بارهای غیرخطی)، به صورت موازی متصل شود.
- حجم و هزینه: فیلترهای اکتیو از نظر قیمت اولیه گرانتر از فیلترهای پسیو هستند، اما هزینه بالای آنها با راندمان بسیار بالاتر و جلوگیری از خسارات پرهزینه به تجهیزات، توجیهپذیر است.
- تشخیص دقیق: قبل از نصب، باید با استفاده از آنالیزورهای کیفیت توان، میزان دقیق و انواع هارمونیکهای موجود (THDv و THDi) اندازهگیری شود تا ظرفیت AHF به درستی انتخاب شود.
به طور خلاصه، در شبکههای صنعتی مدرن که استفاده از درایوهای الکترونیکی اجتنابناپذیر است، فیلترهای اکتیو به عنوان ابزار اصلی مهندسان برای حفظ سلامت شبکه، جلوگیری از آسیب به تجهیزات گرانقیمت و کاهش جریمههای شرکت برق، حیاتی هستند.
