بررسی اثر هارمونیک ها و پدیده تشدید (رزونانس)

بررسی اثر هارمونیک ها و پدیده تشدید (رزونانس)
هارمونیک پدیده‌ای ناخواسته و تحمیلی بر سیستم برق رسانی، ناشی از حضور بارهای غیر خطی در شبکه
در سالهای نه چندان دور (1335) همه واحدهای مسکونی و تجاری در شهر تهران از برق استفاده نمی‌کردند، تامین روشنایی حتی در خیابان‌های اصلی با استفاده از شبکه هوایی با بکارگیری از انواع تیرهای سیمانی و چراغهای پهن تاب مجهز به لامپهای رشته‌ای 60 وات انجام می‌شد، تولید برق و مسئولیت توزیع آن در سطح شهر به صورت محله به محله توسط بخشهای خصوصی به عنوان نمونه: برق شوش- برق فروزان- برق شهرداری و … صورت می‌گرفت. لوازم برقی منازل و واحدهای کسبی صرفا در جهت تامین روشنایی با بکارگیری از لامپهای 60 وات، حداکثر w100 رشته‌ای انجام می‌شد و تعداد محدودی از مشترکین از رادیولامپی استفاده می‌کردند و میزان مصرف متوسط برق ماهیانه منازل با احتساب هر کیلووات ساعت 3 تا 5/3 ریال، حداکثر k.w.h 50 بود.

بار راکتیو و کاربرد خازن در این رابطه قبل از ورود انواع لوازم برقی شامل: پنکه- یخچال- کولر … ، …. ، ….
در جمع لوازم مصرفی مشترکین هرگز مطرح نبوده، امکان دارد قدرت راکتیو در آن زمان صرفاً به عنوان واحد درسی در دانشکده‌های مهندسی منظور شده باشد.

همزمان با بوجود آمدن تسهیلات جهت امکان استفاده همگانی از انرژی برق، با رشد سریع مشترکین و ورود انواع تجهیزات موتوری در جمع لوازم مصرف‌کنندگان برق مشتمل بر: چیلر- کولر- فریزر- یخچال- جاروبرقی- لباس‌شویی و انواع دیگر لوازم خانگی موتوردار و تجهیزات ذوب فلزات و لوازم موتوری در واحدهای صنعتی، …، … مصرف و نیاز به قدرت راکتیو توسط مشترکین را به صورت معضلی بزرگ برای شرکتهای برق منطقه‌ای، خصوصا نیروگاه‌ها مطرح کرده و در این رابطه ضمن نصب کنتورهای راکتیو برای مشترکین و نیز بکارگیری از انواع خازنها و حتی S.V.C در شبکه‌های برق‌رسانی با این حال همچنان مصرف قدرت راکتیو توسط مشترکین به صورت مشکلی اساسی در صنعت برق کشور قابل طرح است.

در حال حاضر با ورود انواع وسایل الکترونیکی در جمع لوازم مصرفی مشترکین و توسعه روزافزون عناصر نیمه‌هادی و کاربرد آن در تجهیزات الکترونیکی، به صورتی که استفاده از انواع تلویزیون – کامپیوتر، … ، …. در کلیه منازل مسکونی و حتی در واحدهای تجاری و اداری قابل رویت بوده از طرفی تجهیزات حفاظتی شبکه‌ها شامل رله‌ها تماما از حالت مکانیکی به الکترونیکی تبدیل شده‌اند و در آینده نه چندان دور استفاده از لوازم الکترونیکی رشد بیشتری خواهد یافت.

ورود لوازم الکترونیکی و انواع لامپهای تخلیه‌ای (فلورسنت، بخار جیوه- بخار سدیم، خصوصاً مصرف روزافزون لامپ‌های کم مصرف، …) در جمع لوازم برقی که دارای المانهای غیرخطی هستند در سیستم برقرسانی تولید هارمونیک کرده که معضل حاصل از وجود آن در شبکه سبب اخلال و قطعی برق با ایجاد رزونانس در شبکه شده و در کیفیت برق مشترکین با تغییر شکل موج سینوزئیدال ولتاژ و جریان در شبکه اثر سوء داشته است.

با توجه به صنایع فعال کشور که از منابع اصلی تولید هارمونیک محسوب می‌شوند شامل: – مجتمع فولاد و صنایع ذوب آهن با دارابودن کوره‌های عظیم قوس الکتریکی و در کنار آنان نصب (static, var, compensation) SVC در جهت اصلاح ضریب قدرت استفاده می‌شود. ضمنا با بکارگیری از انواع موتورهای A.C و D.C در مجتمع‌های مذکور که دارای سیستم کنترل سرعت هستند از عوامل هارمونیک ساز خواهند بود.

– در مجتمع‌های پتروشیمی و صنایع شیمیایی که به برق DC نیازمند هستند و مستلزم استفاده از یکسوکننده‌های پرقدرت است و محرکه‌های موتوری AC و DC منصوبه در مجتمع‌ها ایجادکنندگان هارمونیک هستند.

– سیستم حمل و نقل برق شهری (مترو) در ارتباط با کنترل سرعت موتورهای الکتریکی متصل به لوکوموتیوها تولید هارمونیک می‌کنند.
– سیستم انتقال انرژی HVDC که فعلاً در شبکه سراسری برق ایران مطرح نیست چنانچه مسئله اتصال شبکه‌های برق کشورهای همسایه از طریق خط HVDC انجام شود باید هارمونیک‌های تولید شده در این رابطه مورد توجه و بررسی قرار گیرد. در حال حاضر وجود هارمونیک در شبکه صرفاً برای تعداد محدودی از شرکتهای برق منطقه‌ای کشور محسوس بوده و به فکر چاره‌جویی در جهت اندازه‌گیری و شناخت آن در شبکه افتاده‌اند، ولی چنین تصور می‌شود که اثرات سوء و حذف هارمونیک در شبکه در مقایسه با قدرت راکتیو پرهزینه‌تر و اثرگذاری نامطلوب آن بر کیفیت برقرسانی و شبکه خطرآفرین‌تر خواهد بود.

هارمونیک در سیستم برق‌ رسانی
هارمونیک موجب اعوجاج و تغییر شکل سینوسی امواج جریان و ولتاژ می‌شود. بارهای غیرخطی، منبع تولید هارمونیک‌های جریان بوده همچنین جریانهای هارمونیکی ناشی از برخی بارهای مشترکین سبب تزریق این جریانها به شبکه شده و با عبور جریان هارمونیکی از امپدانسهای سری موجود در شبکه موجب ایجاد هارمونیک ولتاژ می‌شود که این اعوجاجات ولتاژی به تجهیزات مختلف موجود در شبکه اعمال می‌شود. بدین ترتیب باید سعی شود با محدودکردن هارمونیک جریان نسبت به کنترل هارمونیک ولتاژ در سطح مجاز اقدام شود. ضمناً تعیین رابطه بین هارمونیک‌های جریان و ولتاژ بسادگی قابل دسترسی نبوده، در نتیجه آثار سوء حاصل از وجود هارمونیکها قابل پیش‌بینی نخواهد بود.

در جهت تشخیص و کنترل هارمونیک همواره ولتاژ شبکه باید مورد مطالعه و بررسی قرار داده شود. هارمونیک‌ها با عناوین هارمونیک‌های زوج (فرکانس آنان مضربی از عدد زوج از فرکانس نامی شبکه HZ50=F است) یا هارمونیک‌های فرد (فرکانس آنان مضربی از عدد فرد از فرکانس نامی شبکه خواهد بود) تعریف می‌شوند.

شکل موج هارمونیک 1 یا هارمونیک اصلی با فرکانس
50 هرتز و دیگر هارمونیکها
در ارتباط با برق متناوب چنین تصور می‌شد که شکل موج ولتاژ و جریان همواره به صورت کاملاً‌ سینوسی هستند ضمن اینکه خواستن موج سینوزئیدال کامل در این رابطه می‌تواند یک درخواست ایده‌آل ازطرف سازندگان ژنراتورها تلقی شود، زیرا در عمل دستیابی به شکل موج کاملا سینوسی امکان‌پذیر نبوده و انحرافات کم و زیادی در شکل موجود مشهود است و به عنوان موج غیرسینوسی عنوان می‌شود که شامل شکل موج‌‌های سینوسی با فرکانس‌های مختلف خواهد بود.

به عنوان مثال در شکل شماره: 1 تجزیه یک موج غیرسینوسی به امواج با فرکانس‌های HZ=F50، HZ=2F100 و HZ=3F150 و HZ=4F 200 نشان داده شده است به طوریکه موج با فرکانس F، هارمونیک اصلی و شکل موجهای با فرکانس 3F-2F و 4F هارمونیک‌های دوم- سوم و چهارم نامیده می‌شوند و به عنوان هارمونیک‌های فرد و زوج نیز معروف هستند.

کلاً هارمونیک‌های ولتاژ یا جریان امواج سینوسی (با شکل سینوسی) هستند که فرکانس آنها مضرب صحیحی از فرکانس نامی شبکه است.