اعوجاج هارمونیک چیست

توضیح ساده فرمول اعوجاج هارمونیک (THD)

فرض کنید برق شهری مثل یک موج سینوسی کاملاً صاف و منظم است (مثل یک خط کش صاف).
وقتی دستگاه‌هایی مثل کامپیوتر، لامپ LED یا اینورتر به برق وصل می‌شوند، این موج صاف را خراب می‌کنند و روی آن “دندانه” ایجاد می‌شود.
این دندانه‌ها همان هارمونیکها هستند.

فرمول THD چیست؟

THD = (√(V2² + V3² + V4² + ... + Vn²) / V1) × 100%

• V1: اندازه موج اصلی برق (مثلاً ۲۲۰ ولت)
• V2, V3, …: اندازه هارمونیک‌های اضافی که روی موج اصلی سوار شده‌اند

مثال ساده:

• موج اصلی (V1) = ۱۰۰ ولت
• هارمونیک‌ها:
  • V2 = 5V (هارمونیک دوم)
  • V3 = 3V (هارمونیک سوم)

محاسبه:

THD = (√(5² + 3²) / 100) × 100% = (√(25 + 9) / 100) × 100% ≈ (5.83 / 100) × 100% ≈ 5.83%

یعنی ۵.۸۳٪ از برق، اعوجاج (نویز) است!

چرا THD مهم است؟

• اگر THD بالا باشد:
  • موتورها و ترانسفورماتورها داغ می‌کنند
  • لامپ‌ها سوسو می‌زنند
  • تجهیزات الکترونیکی زودتر خراب می‌شوند
• مقدار مجاز THD:
  • معمولاً زیر ۵٪ برای سیستم‌های معمولی
  • بالاتر از ۱۰٪ خطرناک است!

هرچه مقدار THD کمتر باشد، شکل موج به سینوسی ایده‌آل نزدیک‌تر است و تجهیزات با کیفیت بالاتری کار می‌کنند.

مفهوم هارمونیک و انواع آن

هارمونیک‌ها مولفه‌هایی با فرکانس بالاتر از فرکانس اصلی (معمولاً 50 یا 60 هرتز) هستند که در شکل موج ولتاژ یا جریان ظاهر می‌شوند. این مولفه‌ها معمولاً مضربی صحیح از فرکانس پایه هستند؛ برای مثال، هارمونیک سوم سه برابر فرکانس اصلی است.

• هارمونیک ولتاژ: اعوجاج در شکل موج ولتاژ.
• هارمونیک جریان: اعوجاج در شکل موج جریان.
• هارمونیک‌های فرد و زوج: بر اساس مضرب فرد یا زوج از فرکانس پایه.
• هارمونیک‌های مثبت، منفی و صفر: بر اساس جهت چرخش بردارها در سیستم سه‌فاز.

وجود هارمونیک‌ها باعث تغییر شکل موج اصلی و ایجاد اعوجاج در سیستم می‌شود.

عوامل ایجاد اعوجاج هارمونیک

• بارهای غیرخطی: مانند درایوهای سرعت متغیر، منابع تغذیه سوئیچینگ، کامپیوترها، لامپ‌های LED و فلورسنت، اینورترها و یکسوسازها.
• تجهیزات فرومغناطیسی: ترانسفورماتورها و موتورها.
• کوره‌های القایی و قوس الکتریکی: به ویژه در صنایع سنگین.
• بانک‌های خازنی بدون فیلتر: ایجاد رزونانس و تشدید هارمونیک‌ها.
• شارژرهای باتری و تجهیزات الکترونیکی قدرت: مانند UPS و منابع تغذیه سوئیچینگ.

رشد استفاده از این تجهیزات در صنایع و ساختمان‌ها، سهم هارمونیک‌ها در شبکه برق را به طور چشمگیری افزایش داده است.

روش‌های اندازه‌گیری THD

• آنالایزرهای کیفیت توان: دستگاه‌هایی که به طور تخصصی برای اندازه‌گیری THD و سایر پارامترهای کیفیت توان طراحی شده‌اند.
• اسیلوسکوپ و FFT: تحلیل شکل موج و استخراج طیف فرکانسی برای محاسبه مؤلفه‌های هارمونیکی.
• دستگاه‌های مانیتورینگ پیوسته: برای پایش بلندمدت هارمونیک‌ها در شبکه.

اندازه‌گیری THD هم برای جریان (\({THD}_i\)) و هم برای ولتاژ (\({THD}_v\)) انجام می‌شود و هر کدام شاخصی مجزا دارند.

اثرات و خسارات اعوجاج هارمونیک

• گرمایش بیش از حد تجهیزات: افزایش تلفات مس و آهن در موتورها، ترانسفورماتورها و کابل‌ها.
• کاهش عمر مفید تجهیزات: به دلیل استهلاک و خرابی زودرس.
• کاهش کیفیت توان: ایجاد نوسانات ولتاژ، سوسو زدن چراغ‌ها و اختلال در عملکرد تجهیزات حساس.
• افزایش هزینه انرژی: به دلیل اتلافات بیشتر و کاهش راندمان.
• تداخل الکترومغناطیسی: ایجاد نویز در سیستم‌های ارتباطی و کنترلی.
• رزونانس و آسیب به تجهیزات: به ویژه در حضور بانک‌های خازنی.

“اعوجاج هارمونیک می‌تواند باعث افزایش دما، کاهش راندمان، خرابی تجهیزات و حتی قطع برق در صورت وقوع پدیده رزونانس شود.”

استانداردها و محدوده‌های مجاز اعوجاج هارمونیک

سازمان‌های استاندارد مانند IEEE 519 و استانداردهای ملی، مقادیر مجاز THD را برای نقاط مختلف شبکه تعیین می‌کنند. به طور معمول:

• THD ولتاژ در نقطه اتصال مشترک (PCC): کمتر از 5% مجاز است.
• THD جریان: کمتر از 10% برای شرایط نرمال، 10 تا 50% نیازمند بررسی و بالاتر از 50% بسیار خطرناک است.

مقدار THD	توضیح
کمتر از 5%	شرایط ایده‌آل، بدون ریسک
5% تا 10%	قابل قبول، نیازمند پایش
10% تا 50%	ریسک افزایش دما و خرابی تجهیزات
بیش از 50%	خطر جدی، نیاز به اقدامات فوری

راهکارهای کاهش اعوجاج هارمونیک

• استفاده از فیلترهای هارمونیکی: شامل فیلترهای پسیو (خازن و سلف) و فعال (مدارهای الکترونیکی برای حذف طیف وسیع هارمونیک‌ها).
• مدیریت بار و زمان‌بندی مصرف: کاهش همزمانی بارهای غیرخطی و جایگزینی با تجهیزات خطی یا با راندمان بالاتر.
• طراحی صحیح سیستم توزیع: انتخاب کابل و ترانسفورماتور با ظرفیت مناسب و رعایت اصول نصب.
• استفاده از تجهیزات با استاندارد کیفیت توان بالا: به ویژه در صنایع حساس.
• نظارت و پایش مستمر: نصب دستگاه‌های مانیتورینگ و بررسی منظم وضعیت هارمونیک‌ها.

“فیلترهای فعال و پسیو، مدیریت بار و انتخاب تجهیزات مناسب، سه راهکار کلیدی در کنترل اعوجاج هارمونیک هستند.”

اعوجاج هارمونیک در صنایع مختلف

• صنایع روشنایی: کاهش راندمان، فرسودگی زودرس و تغییر رنگ در سیستم‌های LED.
• صنایع سنگین و فولاد: ایجاد اعوجاج شدید به دلیل کوره‌های القایی و قوس الکتریکی.
• ساختمان‌های اداری و تجاری: افزایش بارهای غیرخطی به دلیل تجهیزات IT و منابع تغذیه سوئیچینگ.

مطالعات موردی و مثال‌های عملی

مثال ۱: در یک کارخانه فولاد، نصب فیلترهای فعال باعث کاهش THD جریان از 22% به 7% شد و دمای ترانسفورماتور اصلی 10 درجه کاهش یافت.

مثال ۲: در یک ساختمان اداری با بارهای کامپیوتری بالا، استفاده از بانک خازنی فیلتر شده موجب کاهش سوسو زدن چراغ‌ها و بهبود کیفیت توان شد.

چشم‌انداز آینده و فناوری‌های نوین

• فیلترهای هوشمند و تطبیقی: استفاده از هوش مصنوعی برای شناسایی و حذف هارمونیک‌ها در زمان واقعی.
• تجهیزات با راندمان بالا و استانداردهای جدید: توسعه تجهیزات با تولید هارمونیک کمتر.
• پایش ابری و اینترنت اشیا: برای مانیتورینگ و مدیریت کیفیت توان در مقیاس وسیع.

سؤالات متداول

• THD چیست و چرا اهمیت دارد؟ شاخصی برای سنجش کیفیت توان که بر عملکرد و عمر تجهیزات تأثیر مستقیم دارد.
• مقدار مجاز THD چقدر است؟ معمولاً کمتر از 5% برای ولتاژ و 10% برای جریان توصیه می‌شود.
• چگونه می‌توان اعوجاج هارمونیک را کاهش داد؟ با استفاده از فیلترها، مدیریت بار، تجهیزات استاندارد و پایش مستمر.
• کدام تجهیزات بیشترین هارمونیک را تولید می‌کنند؟ بارهای غیرخطی مانند منابع تغذیه سوئیچینگ، درایوهای سرعت متغیر و لامپ‌های LED.

جمع‌بندی

اعوجاج هارمونیک (THD) یکی از مهم‌ترین چالش‌های سیستم‌های قدرت مدرن است که با افزایش بارهای غیرخطی اهمیت آن دوچندان شده است. شناخت علل، اثرات و راهکارهای کاهش اعوجاج هارمونیک، کلید بهبود کیفیت توان، افزایش عمر تجهیزات و کاهش هزینه‌های انرژی است. با اجرای راهکارهای مناسب و پایش مستمر، می‌توان ریسک‌های ناشی از اعوجاج هارمونیک را به حداقل رساند و عملکرد پایدار سیستم‌های الکتریکی را تضمین کرد.

---

کلمه کلیدی اصلی: اعوجاج هارمونیک | کلمات کلیدی مرتبط: THD، هارمونیک، کیفیت توان، فیلتر هارمونیک، بار غیرخطی