اعوجاج هارمونیک کل (THD) یکی از راه‌های سنجش کیفیت منبع تغذیه است. نمایانگر این است که شکل موج ولتاژ و جریان تا چه اندازه با شکل موج سینوسی یکسان است. اعوجاج هارمونیک کل (THD) یک تابع در برابر فرکانس است که به کمیت میزان خوب خروجی یک سیستم از ورودی کمک می کند. هرچه مقادیر THD کمتر باشد، نویز یا اعوجاج در خروجی سیستم کمتر می شود.
فهرست محتوا
تعریف اعوجاج هارمونیک کل (THD)
اعوجاج هارمونیک کل (THD) اندازه گیری انحراف شکل موج ولتاژ یا جریان از شکل سینوسی ایده آل است. هارمونیک‌ها مولفه‌هایی با فرکانس بالاتر از فرکانس مولفه اصلی (50Hz) در یک شکل موج (جریان الکتریکی) هستند که در شبکه قدرت، به طور ناخواسته و بر اثر بارهای غیرخطی (Nonlinear Loads) تولید می‌شوند.
از THD برای تجزیه و تحلیل ارتعاش و شکل موج های صوتی استفاده می شود. THD-F (مولفه هارمونیک موج بنیادی) و THD-R (مولفه هارمونیک RMS) از نظر فرمولی که برای محاسبه آنها استفاده می شود متفاوت هستند. THD-F به طور کلی برای اندازه گیری منابع تغذیه تجاری استفاده می شود. به طور کلی هارمونیک را به 2 دسته تقسیم می کنند:
- هارمونیک جریان
- هارمونیک ولتاژ
اندازه گیری اعوجاج هارمونیک
اعوجاج هارمونیک کل به عنوان تابعی از فرکانس برای یک سیستم ترسیم شده است. THD برای هر فرکانس آزمایش شده مقداری بین صفر تا یک دارد:
- صفر: مقدار نزدیک به صفر به این معنی است که خروجی دارای اعوجاج هارمونیک کم است. موج سینوسی خروجی دارای محتوای فرکانسی مشابه با ورودی است.
- یک: مقدار نزدیک به 1 به این معنی است که اعوجاج هارمونیک زیادی در سیگنال وجود دارد. تقریباً تمام محتوای فرکانس سیگنال در فرکانس مشابه سیگنال ورودی نیست.
- THD همچنین می تواند به صورت درصد، از 0 تا 100٪ بیان شود که در آن 100٪ با 1 مطابقت دارد.
در بسیاری از کاربردها، THD پایین مورد نظر است. THD پایین به این معنی است که خروجی سیستم مشابه ورودی سیستم و با حداقل اعوجاج است.
در عمل، تفاوت هایی در نحوه محاسبه THD برای یک طیف معین وجود دارد. برای برخی از روش ها، فقط انرژی موجود در هارمونیک ها در نظر گرفته می شود. گاهی اوقات محاسبه به پنج یا ده هارمونیک اول سیگنال خروجی محدود می شود.
روش های دیگر برای محاسبه این است که RMS سیگنال خروجی را در نظر می گیرند. این روش ها گاهی اوقات به عنوان THD+N تعیین می شوند، زیرا نویز بین هارمونیک ها در محاسبه لحاظ می شود. N مخفف نویز است.
عوامل تولید شدن هارمونیک ها
سازندگان تجهیزات الکتریکی از استانداردهای هارمونیک توصیه شده پیروی می کنند تا از انتشار هارمونیک در محصولات خود را محدود کنند و از محافظت از تجهیزات در برابر ولتاژ تغذیه یا هارمونیک های جریان اطمینان حاصل کنند.
وقوع این اعوجاج ها به طور کلی تحت عنوان “کیفیت توان” در نظر گرفته می شود. از آنجایی که تراکم دستگاه‌های غیر خطی در سراسر جهان افزایش می‌یابد، کیفیت توان (PF) در حال تبدیل شدن به یک موضوع نگران کننده است. تکثیر بارهای غیر خطی، اجزای ولتاژ سینوسی با فرکانس های کوچک را وارد سیستم قدرت می کند. این اجزای ولتاژ که هارمونیک های ولتاژ نامیده می شوند، با ولتاژ فرکانس اصلی قرار می گیرند و ولتاژ منبع تغذیه برق را غیر سینوسی می کنند. وقتی به اعوجاج خطی و اعوجاج غیر خطی نگاه می کنید، جریان هارمونیک و فرکانس هارمونیک می توانند منجر به اعوجاج سیگنال شوند.
خسارت های ناشی از اعوجاج هارمونیک
منبع ولتاژ غیر سینوسی منجر به تلفات گرمایشی در ماشین‌ها، اختلال در عملکرد تجهیزات حساس و تداخل ارتباطی می‌شود. تجزیه و تحلیل THD برای حفظ و افزایش پایداری سیستم قدرت بسیار مهم است. از بحثی که تا اینجای بحث شد مشخص شد که هارمونیک ها مثل مهمان های ناخوانده هستند. وجود هارمونیک ها می تواند برای اجزای سیستم قدرت مانند ماشین های الکتریکی، دستگاه های الکترونیکی، ابزار اندازه گیری، تابلو برق، کابل های انتقال و سیستم های روشنایی فاجعه بار باشد.
یک مؤلفه هارمونیک بسته به فاکتور THD یا محاسبه THD شما می تواند تأثیر فاجعه باری بر سیگنال اصلی، سیگنال خروجی و سیگنال ورودی داشته باشد. اعوجاج هارمونیک ولتاژ، اعوجاج متقاطع و اعوجاج میان مدولاسیون همگی می توانند بر محتوای هارمونیک سیگنال صوتی شما تأثیر بگذارند.
عوامل اصلی به وجود آمدن هارمونیک ها موارد زیر هستند:
- مبدل‌های الکترونیکی قدرت مانند یک‌سوسازها و اینورترها
- وسایل فرومغناطیسی شامل ترانس‌ها و ماشین‌های الکتریکی
- تجهیزات تخلیه‌ای شامل لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های بخار سدیم، کوره‌های قوس الکتریکی
- کوره‌های القایی، شارژرهای باتری، مبدل‌های فرکانسی، درایورهای موتور الکتریکی به روش PWM، بانک‌های خازنی، منبع تغذیه کامپیوترها
ماشین های الکتریکی
بخش جدایی ناپذیر سیستم قدرت توسط ماشین های الکتریکی مانند موتورها، ژنراتورها و ترانسفورماتورها اشغال می شود. هنگامی که فرومغناطیس در این ماشین ها اشباع می شود، به عنوان مرکز هارمونیک ها عمل می کند. وجود هارمونیک در منبع ورودی باعث تشدید تلفات مغناطیسی در موتورها و ترانسفورماتورها و در نتیجه دما می شود.
با آمدن به سمت روتور موتورها، اعوجاج در جریان های روتور باعث ایجاد ضربان های گشتاور یا کاهش گشتاور می شود. اعوجاج جریان همچنین باعث افزایش تلفات مس و گرمایش در ماشین‌های الکتریکی می‌شود و در نتیجه تهدیدی جدی برای عایق آنها می‌باشد. به غیر از ولتاژ، ژنراتورها تامین کننده هارمونیک های سوم یا هارمونیک های سه گانه نیز به سیستم قدرت هستند. هارمونیک های جریان و ولتاژ از ژنراتور به سایر بارهای موجود در شین منتشر می شود و باعث آلودگی سیستم می شود.
ابزار الکترونیکی
تا به حال یک ابزار الکترونیکی معیوب را به یک مرکز خدمات برده اید؟ پرسنل مرکز خدمات معمولاً برق ورودی دستگاه را مقصر می دانند. هارمونیک ها در ولتاژ ورودی نقاط تلاقی صفر در شکل موج را تغییر می دهند و بر عملکرد ساعت های داخلی، تایمرها و ADC ها تأثیر می گذارند.
مبدل های الکترونیکی قدرت و مدارهای سوئیچینگ منابع اصلی تغییر شکل جریان ها و ولتاژها در یک شبکه برق هستند. شورای صنعت فناوری اطلاعات (ITIC) آسیب پذیری رایانه ها را در برابر منبع تغذیه مورد مطالعه قرار داده است. این مطالعات منجر به ایجاد استانداردهای محدود کننده اثرات هارمونیک شده است. زمانی که صحبت از اتوماسیون صنعتی به میان می آید، نمی توان از قطع شدن، از دست دادن داده ها یا اشکال در کنترل فرآیند به دلیل هارمونیک ها غافل شد. علاوه بر این، در الکترونیک ارتباطات، ممکن است هارمونیک ها در خطوط انتقال، گفتگوها و تداخل ارتباطی نقش داشته باشند. مهندسین ارتباطات بسیار مشتاق رسیدگی به این مشکل و رفع تداخل و اختلالات نویز هستند.
اطمینان از سازگاری هارمونیک در دستگاه های غیر خطی
کنترل هارمونیک در سیستم ها و تجهیزات قدرت الکتریکی توسط استانداردهای مختلفی مانند استاندارد IEEE 519-2014، IEC 61000-3-6 و NEMA IS07 P1-2019 و غیره هدایت می شود. تجزیه و تحلیل THD پیشرفتی را در تعیین هارمونیک های موجود در جریان یا ولتاژ مورد بررسی ارائه می دهد. تجزیه و تحلیل THD انجام شده در یک پلت فرم شبیه سازی مناسب می تواند با اطلاع از درصد هارمونیک های قرار گرفته در شکل موج، از این مشکل جلویری کند.
هنگام برخورد با سیستم های قدرت، توجه به هارمونیک های ولتاژ و جریان مهم است. هر دوی این اعوجاج ها دارای معایبی هستند: راندمان کمتر، افزایش جریان، مشکلات عایق بندی، قطع نشدن نادرست رله و خرابی دنده سوئیچ. بارهای غیر خطی مشکل ساز اصلی هستند و نیاز به هماهنگی بین طراحی این دستگاه های غیر خطی و استانداردهای THD وجود دارد.
