اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی و راهکارهای حذف آن

در صنایع امروزی که پر از تجهیزات الکترونیکی و سیستم‌های کنترل دیجیتال هستند، کیفیت توان الکتریکی یکی از حیاتی‌ترین فاکتورهای پایداری تولید محسوب می‌شود.
یکی از پدیده‌های کمتر دیده‌شده ولی بسیار تأثیرگذار در کاهش کیفیت توان، هارمونیک (Harmonic Distortion) است.
هارمونیک‌ها در ظاهر پدیده‌ای ناملموس‌اند، اما در واقع می‌توانند موجب افزایش تلفات، گرم‌شدن ترانسفورماتورها، سوختن تجهیزات، افت راندمان موتورهای صنعتی و حتی توقف خطوط تولید شوند.

در این مقاله به‌صورت جامع بررسی می‌کنیم که هارمونیک چیست، چگونه ایجاد می‌شود، چه اثراتی بر تجهیزات صنعتی دارد، و چگونه می‌توان آن را کنترل یا حذف کرد.

برای درک بهتر این پدیده و روش‌های کنترل آن، شرکت در دوره‌های آموزش برق صنعتی در آموزشگاه دارالفنون می‌تواند دیدی تخصصی و کاربردی در زمینه تحلیل و رفع مشکلات هارمونیکی در سیستم‌های صنعتی به شما بدهد.

هارمونیک چیست؟

هارمونیک‌ها در واقع جریان‌ها یا ولتاژهایی هستند که فرکانسی مضرب از فرکانس اصلی سیستم (۵۰ هرتز) دارند.
به‌عبارت ساده‌تر، اگر جریان یا ولتاژ شما فقط شامل موج سینوسی خالص نباشد و موج آن تغییر شکل دهد، در سیستم شما هارمونیک وجود دارد.

منبع ایجاد هارمونیک

در گذشته، بیشتر بارهای الکتریکی «خطی» بودند (مثل لامپ‌های رشته‌ای یا موتورهای ساده). اما امروزه وجود بارهای «غیرخطی» مانند:

• درایوهای سرعت متغیر (VFD)
• منابع تغذیه سوئیچینگ
• رایانه‌ها و PLCها
• UPS و اینورترها
  باعث ورود جریان‌های غیرسینوسی به شبکه می‌شود که خود منشأ هارمونیک هستند.

چرا هارمونیک خطرناک است؟

هارمونیک‌ها باعث می‌شوند شکل موج جریان و ولتاژ از حالت ایده‌آل خارج شود.
نتیجه‌ی این انحراف، ایجاد تلفات حرارتی، ارتعاشات مکانیکی، خطای سیستم‌های کنترلی و نهایتاً کاهش طول عمر تجهیزات است.

به همین دلیل بررسی اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی برای مهندسان برق صنعتی امری حیاتی محسوب می‌شود.

افزایش تلفات انرژی

وقتی جریان دارای مؤلفه‌های هارمونیکی است، مقاومت معادل سیستم افزایش می‌یابد. این افزایش مقاومت، باعث گرم شدن بیش‌ازحد سیم‌ها و تجهیزات و در نتیجه اتلاف انرژی الکتریکی می‌شود. این یکی از ملموس‌ترین اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی است که به‌صورت افزایش هزینه انرژی نمایان می‌شود.

گرم شدن ترانسفورماتورها

ترانس‌ها برای عبور جریان سینوسی طراحی شده‌اند. وجود مؤلفه‌های هارمونیکی در جریان باعث افزایش تلفات هسته و سیم‌پیچ شده و دمای آن را به‌شدت بالا می‌برد.
در بسیاری از کارخانه‌ها، سوختن ترانس‌ها ناشی از همین پدیده است.در صنایع بزرگ، گرم شدن ترانسفورماتور یکی از نشانه‌های کلاسیک اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی است.

اختلال در عملکرد تجهیزات حفاظتی

فیوزها و کلیدهای محافظت جریان معمولاً بر اساس جریان مؤثر RMS عمل می‌کنند. وجود هارمونیک باعث افزایش کاذب مقدار RMS و عملکرد اشتباه این تجهیزات می‌شود. در نتیجه، اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی می‌تواند حتی عملکرد سیستم‌های حفاظتی را مختل کند.

نویز و تداخل الکترومغناطیسی

هارمونیک‌ها باعث ایجاد نویز در مدارهای کنترلی حساس مانند PLC، سنسورها و سیستم‌های اندازه‌گیری می‌شوند و دقت عملکرد را مختل می‌کنند.

بیشتر بخوانید: کاهش مصرف برق صنعتی با اینورتر هوشمند

شاخص اعوجاج کل (THD) چیست؟

کی از شاخص‌های مهم در تحلیل هارمونیک، Total Harmonic Distortion (THD) است که به‌صورت درصدی از توان مؤلفه‌های هارمونیکی نسبت به مؤلفه اصلی بیان می‌شود.
به‌طور معمول، در شبکه‌های صنعتی مقدار THD باید کمتر از ۵٪ باشد.
افزایش آن نشانه‌ی وجود منابع هارمونیک قوی در سیستم است. زمانی که مقدار THD از حد مجاز فراتر رود، اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی شدت می‌گیرد و خطر آسیب فیزیکی افزایش می‌یابد.

اثرات هارمونیک بر تجهیزات صنعتی

این جدول خلاصه‌ای از اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی است و نشان می‌دهد که تقریباً هیچ بخش از سیستم در امان نیست.

حتما بخوانید: مزایای استفاده از سنسورهای حرارتی و دما در تابلو برق صنعتی

راهکارهای کاهش و حذف هارمونیک

فیلترهای پسیو (Passive Filters)

این فیلترها ترکیبی از سلف (L) و خازن (C) هستند که به‌صورت سری یا موازی در مدار نصب می‌شوند و فرکانس‌های ناخواسته را حذف می‌کنند.
مزیت: ارزان و ساده
عیب: فقط برای محدوده خاصی از فرکانس مؤثر است.

فیلترهای اکتیو (Active Filters)

این فیلترها با تولید جریان معکوس در فرکانس هارمونیکی، اعوجاج را در لحظه خنثی می‌کنند.
مزیت: دقت بالا و حذف چند فرکانس هم‌زمان
عیب: قیمت بالا و نیاز به نگهداری تخصصی.

استفاده از راکتورهای خط (Line Reactors)

قرار دادن سلف در ورودی اینورترها یا VFDها می‌تواند تا ۳۰٪ از اعوجاج را کاهش دهد.

انتخاب صحیح خازن اصلاح ضریب توان

استفاده از خازن‌هایی با مقاومت سری (ESR) مناسب می‌تواند از وقوع رزونانس جلوگیری کند.

طراحی تفکیک‌شده تابلو برق صنعتی

جدا کردن بارهای غیرخطی (مثل درایوها) از بارهای حساس، کمک زیادی به کاهش اثرات هارمونیک می‌کند.

استانداردها و محدوده مجاز هارمونیک

سازمان بین‌المللی IEEE 519 و همچنین IEC 61000-3-2 حدود مجاز THD را تعیین کرده‌اند.
برای سیستم‌های صنعتی با ولتاژ کمتر از ۱ کیلوولت، مقدار مجاز THD ولتاژ نباید بیش از ۵٪ و برای جریان نباید از ۸٪ فراتر رود. مطابقت با این استانداردها، تنها راه اطمینان از کنترل اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی است.

بیشتر بخوانید: استانداردهای بین‌المللی برق صنعتی (IEC, NEC)

مزایای کنترل هارمونیک در صنعت

• کاهش تلفات انرژی تا ۱۵٪
• افزایش طول عمر تجهیزات تا دو برابر
• جلوگیری از توقف ناگهانی خط تولید
• بهبود کیفیت توان و کاهش خاموشی‌های ناگهانی
• کاهش هزینه تعمیرات دوره‌ای

در نتیجه، کاهش اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی باعث صرفه‌جویی مالی و افزایش پایداری سیستم می‌شود.

جمع‌بندی

هارمونیک‌ها دشمن خاموش تجهیزات صنعتی‌اند. آن‌ها باعث افزایش تلفات، گرمایش بیش‌ازحد، خطای سیستم‌های کنترلی و اتلاف منابع مالی می‌شوند. شناخت و کنترل اثرات هارمونیک بر تجهیزات الکتریکی صنعتی می‌تواند ضمن افزایش بهره‌وری، عمر تجهیزات را نیز طولانی‌تر کند.
پیشگیری از بروز هارمونیک با انتخاب صحیح تجهیزات، طراحی مناسب تابلو برق، و نصب فیلترهای مناسب می‌تواند ضمن افزایش بهره‌وری، عمر تجهیزات را نیز طولانی‌تر کند.

در دنیایی که هر وات انرژی ارزشمند است، مدیریت هارمونیک دیگر یک انتخاب نیست، بلکه یک ضرورت برای بقا در صنعت مدرن است.

سؤالات متداول

1. اصلی‌ترین منبع تولید هارمونیک در کارخانه‌ها چیست؟

درایوهای سرعت متغیر (VFD)، UPSها و منابع تغذیه سوئیچینگ بیشترین سهم را دارند.

2. چه زمانی باید فیلتر نصب شود؟

وقتی مقدار THD بیش از ۵٪ باشد یا علائم گرمای بیش‌ازحد در تجهیزات دیده شود.

3. فیلتر پسیو بهتر است یا اکتیو؟

اگر سیستم کوچک است، پسیو کافی است. در صنایع بزرگ با بارهای متغیر، اکتیو توصیه می‌شود.

4. آیا هارمونیک باعث افزایش مصرف برق می‌شود؟

بله، چون باعث افزایش جریان مؤثر و تلفات اهمی می‌شود.

5. آیا موتورهای جدید در برابر هارمونیک مقاوم‌ترند؟

تا حدی بله، اما اگر اعوجاج زیاد باشد، همچنان آسیب می‌بینند.

6. آیا می‌توان هارمونیک را با مولتی‌متر تشخیص داد؟

خیر، باید از آنالایزر توان یا تجهیزات مخصوص تحلیل هارمونیک استفاده شود.

7. نصب فیلتر در ورودی ترانس مفید است؟

بله، باعث کاهش بار حرارتی و افزایش راندمان ترانس می‌شود.

8. چگونه مقدار THD را کاهش دهیم بدون فیلتر؟

با افزایش ظرفیت ترانس، استفاده از کابل ضخیم‌تر و توزیع مناسب بارها.

9. آیا خازن اصلاح ضریب توان باعث هارمونیک می‌شود؟

اگر به‌درستی انتخاب نشود، بله؛ چون امکان رزونانس بین خازن و سلف شبکه وجود دارد.

10. هزینه نصب فیلتر هارمونیک چقدر است؟

بسته به ظرفیت، بین ۵ تا ۱۵ درصد کل هزینه تابلو برق صنعتی متغیر است.