توضیح هارمونیک‌های سیستم قدرت و THD: علل، اثرات، اندازه‌گیری و کاهش

هارمونیک‌های سیستم قدرت، مؤلفه‌های ولتاژ یا جریانی هستند که فرکانس آن‌ها مضارب صحیحی از فرکانس اصلی شبکه است. در یک سیستم 50 Hz، هارمونیک سوم برابر با 150 Hz و هارمونیک پنجم برابر با 250 Hz است؛ در یک سیستم 60 Hz، این مقادیر برابر با 180 Hz و 300 Hz هستند. این مؤلفه‌ها با شکل موج اصلی ترکیب شده و باعث می‌شوند ولتاژ یا جریان از شکل موج سینوسی ایده‌آل فاصله بگیرد.

اعوجاج هارمونیکی کل (THD) محتوای هارمونیکی ترکیبی را در یک درصد فشرده می‌کند. این شاخص برای غربالگری، روندسنجی و مقایسه اندازه‌گیری‌ها مفید است، اما مقدار THD به تنهایی نمی‌تواند منبع، مرتبه هارمونیک غالب، نقطه انطباق یا راهکار اصلاحی درست را مشخص کند. یک ارزیابی قابل دفاع باید اعوجاج ولتاژ را از اعوجاج جریان تفکیک کند، محل اندازه‌گیری را تأیید نماید، طیف هارمونیکی را بررسی کند و تأسیسات را تحت شرایط بارگذاری واقعی ارزیابی نماید.

نکات کلیدی

• بارهای غیرخطی، جریان هارمونیکی ایجاد می‌کنند زیرا جریان را به صورت پالس دریافت می‌کنند نه متناسب با ولتاژ اعمال‌شده.
• جریان هارمونیکی که از امپدانس سیستم عبور می‌کند، باعث ایجاد اعوجاج ولتاژ هارمونیکی می‌شود.
• پارامترهای THDv، THDi و اعوجاج تقاضای کل (TDD) از صورت کسر یا مقادیر مرجع متفاوتی استفاده می‌کنند و نباید به جای یکدیگر به کار برده شوند.
• استاندارد IEEE 519 اهداف اعوجاج ولتاژ و جریان در حالت ماندگار را در نقطه اتصال مشترک (PCC) کاربر اعمال می‌کند، نه به عنوان یک حد پذیرش/رد عمومی برای تک‌تک ترمینال‌های تجهیزات.
• خوانده شدن مقدار بالای THDi در بار کم می‌تواند گمراه‌کننده باشد زیرا مخرج کسر (جریان اصلی) کوچک است؛ TDD یک مرجع مبتنی بر تقاضا برای ارزیابی PCC ارائه می‌دهد.
• اقدامات اصلاحی باید پس از اندازه‌گیری انجام شوند. راکتورها، فیلترهای پسیو، فیلترهای هارمونیک اکتیو، یکسوسازهای چندپالسه و درایوهای دارای مبدل ورودی اکتیو (active-front-end)، مشکلات متفاوتی را حل می‌کنند.
• یک بانک خازنی اصلاح ضریب توان استاندارد، به‌طور خودکار یک فیلتر هارمونیک نیست و اگر بدون انجام تحلیل هارمونیکی به‌کار گرفته شود، ممکن است خطر تشدید ایجاد کند.

نگاهی گذرا به هارمونیک‌ها، THD و TDD

مقدار	مقایسه جامع جریان‌های نشتی، باقیمانده و زمین برای کمک به روشن شدن نقش‌های متمایز آنها در ایمنی الکتریکی.	مقدار مرجع	بهترین استفاده	اشتباه رایج در تفسیر
هارمونیک منفرد	دامنه یک مرتبه هارمونیکی، مانند هارمونیک پنجم	مؤلفه اصلی (Fundamental) یا یک مرجع تعیین‌شده دیگر	شناسایی منابع غالب و انتخاب فیلترها	توجه صرف به THD و نادیده گرفتن یک مرتبه غالب
THDv	اعوجاج هارمونیکی ولتاژ ترکیبی	ولتاژ مؤلفه اصلی	ارزیابی کیفیت شکل موج در یک شین یا ترمینال تجهیزات	اعمال یک حد ولتاژ در تمام مکان‌ها
THDi	اعوجاج جریان هارمونیک ترکیبی	جریان اصلی در لحظه اندازه‌گیری	ارزیابی یک بار و ردیابی رفتار عملکردی آن	مقایسه THDi در بار سبک و بار کامل بدون در نظر گرفتن شرایط
TDD	جریان هارمونیک ترکیبی نسبت به جریان دیماند	حداکثر جریان بار دیماند، IL	IEEE 519-style current assessment at the PCC	در نظر گرفتن آن به عنوان نامی دیگر برای THDi
طیف هارمونیک	بزرگی هر مرتبه هارمونیک اندازه‌گیری‌شده	مؤلفه اصلی یا مرجع ابزار	تشخیص منبع و انتخاب روش کاهش اثرات	استفاده از یک مقدار کلی واحد بدون بررسی مرتبه‌ها

چه چیزی باعث ایجاد هارمونیک‌ها در یک سیستم الکتریکی می‌شود؟

یک بار خطی، شکل‌موج جریانی تقریباً متناسب با ولتاژ اعمال‌شده می‌کشد. هیترهای مقاومتی نمونه‌ای ساده از این نوع هستند. یک بار غیرخطی در هر چرخه، امپدانس خود را تغییر می‌دهد یا از کلیدزنی و یکسوسازی استفاده می‌کند، بنابراین جریان آن به صورت پالس یا بخش‌های تکه‌تکه کشیده می‌شود. تحلیل فوریه، آن شکل‌موج متناوب تغییریافته را به صورت یک مؤلفه اصلی به اضافه مؤلفه‌های هارمونیک نمایش می‌دهد.

فرکانس مرتبه هارمونیک ح برابر است با:

fh = h x f1

که در آن:
fh = فرکانس هارمونیک
h = مرتبه هارمونیک: 2, 3, 4, 5...
f1 = فرکانس پایه: معمولاً 50 Hz یا 60 Hz

بارهای رایج تولیدکننده هارمونیک عبارتند از:

• درایوهای فرکانس متغیر (VFDs) شش‌پالس و سایر بارهای یکسوساز؛;
• منابع تغذیه بدون وقفه (UPSs)؛;
• منابع تغذیه سوئیچینگ در کامپیوترها، سرورها و تجهیزات کنترلی؛;
• درایورهای LED و بالاست‌های روشنایی الکترونیکی؛;
• شارژرهای باتری و تجهیزات شارژ وسایل نقلیه الکتریکی؛;
• تجهیزات جوشکاری، کوره‌های قوس الکتریکی و سایر فرآیندهای صنعتی غیرخطی؛;
• تجهیزات مغناطیسی اشباع‌شده در شرایط عملکرد غیرعادی.

بار به‌طور کلی ابتدا جریان هارمونیکی تزریق می‌کند. همان‌طور که این جریان از ترانسفورماتور، کابل، شین و امپدانس منبع عبور می‌کند، باعث ایجاد افت ولتاژ هارمونیکی می‌شود. اعوجاج ولتاژ حاصل می‌تواند سایر تجهیزات متصل به همان شین را تحت تأثیر قرار دهد. این تمایز اهمیت دارد، زیرا جایگزینی یک بار حساس، منبع مشکل در سطح سیستم را از بین نمی‌برد، در حالی که افزودن یک فیلتر در شین نامناسب ممکن است بهبود ناچیزی ایجاد کند.

هارمونیک‌ها چگونه شکل موج AC را دچار اعوجاج می‌کنند

یک شکل موج سینوسی ایده‌آل فقط شامل فرکانس اصلی است. یک بار غیرخطی واقعی ممکن است جریان اصلی را به همراه مؤلفه‌های مرتبه ۳، ۵، ۷ و بالاتر جذب کند. در هر لحظه، این مؤلفه‌ها به‌صورت جبری با هم جمع می‌شوند. نتیجه ممکن است دارای سر تخت، قله‌های تیز، بریدگی (ناچ) یا دیگر انواع اعوجاج باشد، حتی اگر ولتاژ RMS نزدیک به مقدار نامی به‌نظر برسد.

شکل موج و طیف آن اطلاعات متفاوتی را ارائه می‌دهند:

• شکل موج در حوزه زمان، بریدگی‌ها (ناچ‌ها)، سر تخت بودن، ضریب کرست بالا و رفتار کلیدزنی را نشان می‌دهد.
• طیف حوزه فرکانس نشان می‌دهد که کدام مرتبه‌های هارمونیکی غالب هستند.
• THD یک مجموع مناسب ارائه می‌دهد، اما نمی‌تواند نشان دهد که آیا اعوجاج عمدتاً ناشی از هارمونیک‌های سوم، پنجم، هفتم است یا در مرتبه‌های بسیاری پخش شده است.

برای طراحی اقدامات اصلاحی، طیف معمولاً کاربردی‌تر از مقدار کلی به‌تنهایی است.

اعوجاج هارمونیکی کل (THD) چگونه محاسبه می‌شود؟

THD ولتاژ

THD ولتاژ عبارت است از مقدار جذر مجموع مربعات ولتاژهای هارمونیکی تقسیم بر ولتاژ پایه:

THDv = [sqrt(V2^2 + V3^2 + ... + Vh^2) / V1] x 100%

V1 = ولتاژ RMS پایه
Vh = ولتاژ RMS مرتبه هارمونیکی h

THDv نشان می‌دهد که شکل موج ولتاژ در نقطه اندازه‌گیری چقدر از مؤلفه پایه خود فاصله دارد. این مقدار تحت تأثیر جریان هارمونیکی و امپدانس بین منبع و نقطه اندازه‌گیری قرار می‌گیرد.

THD جریان

THD جریان از همان ساختار استفاده می‌کند، اما جریان هارمونیک را به جریان بنیادی اندازه‌گیری‌شده در همان لحظه ارجاع می‌دهد:

THDi = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / I1] x 100%

I1 = جریان بنیادی RMS در لحظه اندازه‌گیری
Ih = جریان RMS از مرتبه هارمونیک h

THDi هنگام ارزیابی رفتار یک بار غیرخطی منفرد مفید است. با این حال، نتیجه می‌تواند در بار کم به‌شدت افزایش یابد زیرا I1 کوچک می‌شود، حتی زمانی که جریان هارمونیک مطلق در بدترین شرایط سیستم قرار ندارد. همیشه جریان بار و وضعیت عملیاتی را در کنار THDi ثبت کنید.

اعوجاج تقاضای کل (TDD)

TDD جریان هارمونیک را به‌جای جریان بنیادی لحظه‌ای، به یک مقدار جریان تقاضا ارجاع می‌دهد:

TDD = [sqrt(I2^2 + I3^2 + ... + Ih^2) / IL] x 100%

IL = حداکثر جریان بار مورد نیاز در PCC، که برای روش ارزیابی مربوطه تعریف شده است

این مخرج باثبات‌تر، TDD را برای ارزیابی نحوه ارتباط جریان هارمونیکی یک تأسیسات با تقاضای آن در PCC مناسب می‌سازد. مورد صحیح ایلینویز, ، بازه تجمع، دوره مشاهده و نسبت اتصال کوتاه باید از استاندارد مربوطه و مطالعه پروژه پیروی کنند. بدون توجیه، جریان نامی کلید مدار، جریان پلاک ترانسفورماتور یا یک اندازه‌گیری نقطه‌ای ساده را جایگزین نکنید.

چرا THDv و THDi می‌توانند نتایج متفاوتی را نشان دهند

اعوجاج جریان بالا لزوماً به معنای اعوجاج ولتاژ بالا نیست. یک سیستم قدرت صلب با امپدانس منبع پایین ممکن است جریان هارمونیکی قابل توجهی را جذب کند در حالی که شکل موج ولتاژ نسبتاً تمیزی را حفظ می‌کند. یک سیستم ضعیف یا یک فیدر طولانی با امپدانس بالا می‌تواند اعوجاج ولتاژ بیشتری را از یک جریان هارمونیکی کوچک‌تر ایجاد کند.

تمایز تشخیصی معکوس نیز مفید است:

• مقدار بالای THDi در یک شاخه اما قابل قبول بودن THDv در شینه اصلی، اغلب به یک بار غیرخطی محلی با تأثیر محدود بر سیستم اشاره دارد.
• مقدار بالای THDv در چندین فیدر، نشان‌دهنده وجود اعوجاج در یک شینه بالادست مشترک یا یک وضعیت رزونانس است.
• بالا بودن THDv در ورودی سرویس قبل از راه‌اندازی بارهای اصلی سایت، ممکن است نشان‌دهنده وجود عاملی در بالادست باشد که نیازمند بررسی از سمت شرکت برق است.
• بالا بودن THDi تنها در یک حالت عملکردی خاص، به منبعی مرتبط با فرآیند اشاره دارد؛ مانند بارگذاری درایو، هدایت یکسوساز یا عملکرد شارژر.

هارمونیک‌ها چه مشکلاتی می‌توانند ایجاد کنند؟

هارمونیک‌ها علامت واحد و ثابتی ایجاد نمی‌کنند. اثرات آن‌ها به مرتبه هارمونیک، دامنه، امپدانس سیستم، الگوی بار، آرایش ارتینگ، رزونانس و طراحی تجهیزات بستگی دارد.

گرمای اضافی در هادی‌ها، شینه‌ها و ترانسفورماتورها

جریان هارمونیکی باعث افزایش جریان کل RMS و در نتیجه گرم شدن هادی می‌شود. مؤلفه‌های فرکانس بالاتر نیز تلفات جریان گردابی و اثر پوستی را در قطعات مغناطیسی و رسانا افزایش می‌دهند. ترانسفورماتورهایی که بارهای غیرخطی قابل‌توجهی را تغذیه می‌کنند، ممکن است حتی زمانی که تقاضای متوسط kW عادی به نظر می‌رسد، متحمل تلفات سیم‌پیچ و تلفات پراکندگی اضافی شوند.

اتصالاتی که قبلاً به دلیل مقاومت بالا دچار مشکل شده‌اند، بسیار آسیب‌پذیرتر هستند زیرا جریان RMS اعوجاج‌یافته باعث افزایش I²R گرما می‌شود. روش‌های تشخیصی در راهنمای VIOX برای داغ شدن بیش از حد ترمینال بلاک به تفکیک بار هارمونیکی از اتصالات شل یا فرسوده کمک می‌کند.

داغ شدن بیش از حد هادی نول

در یک سیستم سه فاز چهار سیمه متعادل، جریان‌های اصلی بارهای تک‌فاز مشابه تا حد زیادی در هادی نول یکدیگر را خنثی می‌کنند. هارمونیک‌های سه‌گانه، شامل هارمونیک‌های سوم، نهم و پانزدهم، مؤلفه‌های توالی صفر هستند و می‌توانند به جای خنثی شدن، در هادی نول با هم جمع شوند. بنابراین، قرائت جریان فاز متعادل، تضمین‌کننده پایین بودن جریان نول نیست.

بار نول باید مستقیماً در محل تمرکز بارهای تک‌فاز الکترونیکی اندازه‌گیری شود. عملکرد حمل جریان نول را با مسیر ارت حفاظتی اشتباه نگیرید؛ تفاوت این دو در موارد زیر توضیح داده شده است: شینه نول در مقابل شینه ارت.

تلفات موتور، ضربان گشتاور و نویز

هارمونیک‌های ولتاژ، میدان‌های مغناطیسی دوار با سرعت‌ها و جهت‌های مختلف ایجاد می‌کنند. در موتورهای القایی، برخی از توالی‌های هارمونیکی با میدان دوار اصلی مخالفت می‌کنند، در حالی که برخی دیگر جهت آن را در سرعت‌های سنکرون مختلف تقویت می‌کنند. نتیجه این امر می‌تواند شامل تلفات اضافی مس و آهن، ضربان گشتاور، ارتعاش، نویز شنیداری و کاهش حاشیه حرارتی قابل استفاده باشد.

هنگامی که درایوها در میان هستند، هارمونیک‌های سمت ورودی خط را از تنش ولتاژ PWM سمت خروجی جدا کنید. یک راکتور خط یا فیلتر هارمونیک ورودی، به مشکلی متفاوت نسبت به راکتور خروجی، فیلتر سینوسی یا dV/dt فیلتر می‌پردازد. راهنمای VFD در مقابل سافت استارتر VIOX زمینه گسترده‌تری از کنترل موتور را ارائه می‌دهد.

تنش بیش از حد خازن و رزونانس

خازن‌های اصلاح ضریب توان، تقاضای توان راکتیو در فرکانس پایه را کاهش می‌دهند، اما امپدانس آن‌ها با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد. این خازن‌ها در ترکیب با اندوکتانس سیستم، می‌توانند رزونانس موازی یا سری در نزدیکی یک مرتبه هارمونیکی موجود ایجاد کنند. نتیجه ممکن است تقویت ولتاژ یا جریان هارمونیکی و اضافه‌بار خازن‌ها، راکتورها، ترانسفورماتورها یا تجهیزات کلیدزنی باشد.

بنابراین، یک بانک خازنی مرسوم نباید به عنوان یک راهکار جهانی برای هارمونیک‌ها معرفی شود. در مواردی که محتوای هارمونیکی قابل توجه است، طراحی ممکن است نیازمند راکتورهای دی‌تیون (detuned)، فیلتر پسیو تیون شده، فیلتر هارمونیک اکتیو یا یک راهکار مهندسی‌شده دیگر باشد. هدف و محدودیت‌های اصلاح ضریب توان خودکار در نام کامل و عملکرد APFC.

عملکرد مزاحم و نقص عملکرد الکترونیکی

شکل موج‌های اعوجاج‌یافته می‌توانند جریان پیک را افزایش دهند، گذر از صفر را تغییر دهند، باعث گرمایش شوند و با تجهیزاتی که فرض را بر تغذیه تقریباً سینوسی می‌گذارند، تداخل ایجاد کنند. علائم احتمالی شامل عملکرد غیرقابل توضیح دستگاه‌های حفاظتی، هشدارهای پله خازنی، صدای ترانسفورماتور، بازنشانی کنترل، خوانش‌های نادرست از ابزارهای نامناسب و کاهش عمر تجهیزات است.

این علائم دلیل قطعی بر وجود هارمونیک‌ها نیستند. شل بودن هادی‌ها، عدم تعادل ولتاژ، گذراها، اضافه‌بار، تداخل الکترومغناطیسی و تنظیمات نادرست می‌توانند علائم مشابهی ایجاد کنند. قبل از انتخاب راهکار، اندازه‌گیری ضروری است.

هارمونیک‌ها کجا و چگونه باید اندازه‌گیری شوند؟

برنامه اندازه‌گیری باید به یک پرسش مشخص پاسخ دهد: انطباق در PCC، عیب‌یابی تجهیزات، شناسایی منبع، برنامه‌ریزی ظرفیت، یا تایید پس از کاهش اثرات. یک اندازه‌گیری نقطه‌ای به‌ندرت به هر پنج مورد پاسخ می‌دهد.

۱. تعریف محدوده اندازه‌گیری

برای ارزیابی IEEE 519 در سطح تاسیسات، نقطه اتصال مشترک (PCC) قراردادی یا مهندسی را شناسایی کنید. برای عیب‌یابی داخلی، در صورت نیاز در نقطه اتصال داخل کارخانه، باس‌بار توزیع اصلی، فیدر مشکوک و ترمینال‌های بار نیز اندازه‌گیری کنید. نمودار تک‌خطی و محل هر خوانش را مستند کنید.

۲. استفاده از ابزار دقیق مناسب

از یک تحلیلگر کیفیت توان با قابلیت اندازه‌گیری هم‌زمان ولتاژ و جریان سه‌فاز، ثبت طیف هارمونیک، THDv، THDi، TDD در صورت نیاز، ثبت رویدادها و اندازه‌گیری جریان نول برای سیستم‌های چهار سیمه استفاده کنید. استاندارد IEC 61000-4-7 به ابزار دقیق اندازه‌گیری هارمونیک و میان‌هارمونیک می‌پردازد، در حالی که استاندارد IEC 61000-4-30 روش‌های اندازه‌گیری کیفیت توان و کلاس‌های اندازه‌گیری را تعریف می‌کند.

یک کنتور معمولی با پاسخ میانگین برای تشخیص شکل‌موج‌های اعوجاج‌یافته کافی نیست. یک کنتور true-RMS می‌تواند دقت جریان و ولتاژ RMS را بهبود بخشد، اما معمولاً جایگزین تحلیلگر کیفیت توان برای تحلیل مرتبه هارمونیک، روند، جهت و انطباق نمی‌شود.

۳. ثبت شرایط عملیاتی نماینده

اندازه‌گیری‌ها را در حالت‌های مختلف عملیاتی ثبت کنید و به یک تصویر لحظه‌ای تک اکتفا نکنید:

• حداقل، عادی و حداکثر بار تأسیسات؛;
• شتاب‌گیری درایو، کارکرد پایدار و شرایط سرعت پایین؛;
• حالت‌های کاری UPS یا شارژر؛;
• پله‌های بانک خازنی که وارد مدار شده یا از آن خارج می‌شوند؛;
• عملکرد ژنراتور و شبکه سراسری در مواردی که هر دو امکان‌پذیر باشند؛;
• دوره‌های تولیدی که با شکایت یا گرمایش بیش از حد همراه هستند.

۴. ثبت بافتار (Context) به همراه هر مقدار THD

حداقل، موارد زیر را ثبت کنید:

• محل اندازه‌گیری و پیکربندی سیستم الکتریکی؛;
• ولتاژ فاز به فاز و فاز به نول، بسته به مورد؛;
• جریان RMS فاز و نول؛;
• THDv، THDi و TDD در موارد مربوط؛;
• طیف هارمونیک مجزا و مقادیر فاز؛;
• kW، kVA، kvar، ضریب توان و وضعیت بار؛;
• وضعیت ترانسفورماتور منبع، هادی و بانک خازنی؛;
• مُهر زمانی و فاصله زمانی ثبت داده‌ها.

۵. ردیابی سیستماتیک منبع

از نقطه ارزیابی شروع کنید و مقادیر بالادست و پایین‌دست را مقایسه کنید. اگر با برق‌دار شدن یک فیدر، اعوجاج به‌شدت افزایش یابد، به بررسی آن شاخه ادامه دهید. اگر چندین فیدر اعوجاج ولتاژ مشابهی نشان می‌دهند، باس مشترک، رزونانس خازنی یا منبع بالادست را بررسی کنید.

ترتیب صحیح عبارت است از اندازه‌گیری، محلی‌سازی، مدل‌سازی، کاهش و تایید. نصب یک فیلتر پیش از تعیین این مبنا می‌تواند یک نشانه را پنهان کند در حالی که منبع اصلی یا تشدید را دست‌نخورده باقی می‌گذارد.

استانداردها چگونه برای هارمونیک‌ها اعمال می‌شوند

مرجع	Primary role	مرز عملیاتی
IEEE 519-2022	اهداف اعوجاج ولتاژ و جریان سیستم	اعمال‌شده در PCC کاربر تحت شرایط تعریف‌شده حالت پایدار؛ محدودیت‌های جریان به شرایط سیستم بستگی دارد، از جمله قدرت اتصال کوتاه نسبت به تقاضا
IEC 61000-4-7	تجهیزات اندازه‌گیری هارمونیک و میان‌هارمونیک	نحوه گروه‌بندی و اندازه‌گیری مؤلفه‌های طیفی برای ارزیابی تجهیزات و سیستم تغذیه را تعیین می‌کند
IEC 61000-4-30:2025	روش‌های اندازه‌گیری کیفیت توان در محل	روش‌های تکرارپذیر و رویکردهای کلاس A/کلاس S را برای پارامترهایی از جمله هارمونیک‌های ولتاژ و جریان تعریف می‌کند
IEC 61000-2-4:2024	سطوح سازگاری در سیستم‌های توزیع برق صنعتی	در نقطه اتصال داخل کارخانه اعمال می‌شود و محیط‌های الکترومغناطیسی صنعتی را به کلاس‌های تعریف‌شده تفکیک می‌کند
IEC 61000-3-2 / IEC 61000-3-12	حدود انتشار جریان هارمونیکی برای دسته‌های تجهیزات مشخص‌شده	استانداردهای سطح تجهیزات با دامنه تعریف‌شده؛ این استانداردها جایگزینی برای ارزیابی کامل PCC تأسیسات نیستند

سه قانون از بیشتر اشتباهات استاندارد جلوگیری می‌کند:

1. نقطه ارزیابی را تأیید کنید. حد مجاز در PCC به‌طور خودکار حد مجاز در ورودی VFD یا تابلوی توزیع فرعی دوردست نیست.
2. مخرج کسر و روش میانگین‌گیری را تأیید کنید. THDi و TDD می‌توانند درصدهای بسیار متفاوتی را از یک طیف جریان یکسان تولید کنند.
3. ویرایش قابل اجرا و محدوده تجهیزات را تأیید کنید. الزامات شرکت برق، مشخصات پروژه، کدهای شبکه منطقه‌ای و استانداردهای محصول ممکن است تعهداتی فراتر از یک راهنمای کلی اضافه کنند.

از کدام روش کاهش هارمونیک باید استفاده کنید؟

هیچ فیلتر جهانی بهترین وجود ندارد. روش مناسب را بر اساس طیف منبع، تغییرپذیری بار، امپدانس سیستم الکتریکی، عملکرد مورد نیاز، فضای موجود، تلفات، قابلیت نگهداری و توسعه آتی انتخاب کنید.

وضعیت	گزینه‌های کاهش برای ارزیابی	ملاحظات مهندسی
یک درایو شش پالس معمولی	راکتور خط AC، چوک DC، فیلتر هارمونیک پسیو، درایو با هارمونیک پایین یا درایو با بخش ورودی فعال (active-front-end)	کاهش مورد نیاز، محدوده بار، افت ولتاژ، راندمان، فضای اشغال‌شده، آرایش بای‌پس
چندین بار غیرخطی با تقاضای متغیر	فیلتر هارمونیک فعال مرکزی یا توزیع‌شده	محل CT، جریان جبران‌ساز، مرتبه‌های هارمونیکی، تنوع بار، حاشیه توسعه
مرتبه‌های هارمونیکی غالب پایدار	فیلتر غیرفعال تنظیم‌شده یا پهن‌باند	امپدانس شبکه، تلورانس تنظیم، وظیفه خازن، رزونانس، عملکرد ژنراتور
اصلاح ضریب توان در یک شبکه اعوجاج‌یافته	بانک خازنی با سلف‌ فیلتر (Detuned) یا بانک فیلتر مهندسی‌شده	طیف موجود، فرکانس تشدید، جریان خازن، سیکل کاری کلیدزنی، تنظیمات کنترل‌کننده
جریان هارمونیک مرتبه سوم (Triplen) بالا در سیستم چهارسیمه	کاهش انتشار منبع، توزیع مجدد بارها، استفاده از فیلتر مناسب، و بازنگری در طراحی نول/ترانسفورماتور	اندازه‌گیری جریان نول، ظرفیت حرارتی هادی، مناسب بودن ترانسفورماتور، بار الکترونیکی آینده
پروژه جدید با تقاضای یکسوساز بزرگ	یکسوساز چندپالس، ترانسفورماتور تغییر فاز، فرانت‌اند فعال (Active Front End)، یا تجهیزات با هارمونیک پایین مشخص‌شده	توان منبع، افزونگی، پیچیدگی ترانسفورماتور، هزینه چرخه عمر، هدف انطباق
تجهیزات موجود در حال حاضر دچار گرمای بیش از حد هستند	کاهش بار و کنترل ریسک حرارتی پیش از اقدامات اصلاحی دائمی	بررسی هارمونیک، بازرسی اتصالات، تهویه، و وضعیت هادی‌ها و ترانسفورماتور

راکتورهای خط و چوک‌های DC

راکتورها امپدانس را افزایش داده و جریان کشیده شده توسط بارهای یکسوساز را هموار می‌کنند. آن‌ها نسبتاً ساده و مستحکم هستند، اما نتیجه عملکرد آن‌ها به امپدانس منبع و طراحی درایو بستگی دارد. آن‌ها جریان هارمونیکی را کاهش می‌دهند (نه حذف) و باعث ایجاد افت ولتاژ و تلفات می‌شوند.

فیلترهای هارمونیک پسیو

فیلترهای پسیو با ترکیب سلف‌ها و خازن‌ها، مسیر کم‌امپدانسی را برای فرکانس‌های هارمونیکی خاص یا تضعیف پهن‌باند فراهم می‌کنند. آن‌ها می‌توانند برای بارهای پایدار و قابل پیش‌بینی مؤثر باشند، اما باید بر اساس شبکه واقعی طراحی شوند. دی‌تیونینگ (Detuning)، تلورانس قطعات، تغییرات بار، و تداخل با ژنراتورها یا سایر بانک‌های خازنی نیاز به بررسی دارند.

فیلترهای هارمونیک اکتیو

یک فیلتر هارمونیک فعال، اعوجاج را اندازه‌گیری کرده و جریان جبران‌ساز تزریق می‌کند. این فیلتر با پروفیل‌های بار متغیر سازگاری بهتری دارد و می‌تواند چندین مرتبه هارمونیکی را هدف قرار دهد، اما ظرفیت جریان، آرایش CT، پاسخ، محفظه، تلفات و اهداف کنترلی آن باید مشخص شوند.

درایوهای کم‌هارمونیک و فرانت‌اند (Front Ends) فعال

معماری‌های درایو کم‌هارمونیک، اعوجاج را در منبع کاهش می‌دهند، به‌جای آنکه چندین بار را در یک شین مشترک جبران کنند. این درایوها ممکن است نصب جدید را ساده‌تر کنند اما بر هزینه، فضای اشغال‌شده، تلفات، سازگاری الکترومغناطیسی و استراتژی نگهداری تأثیر می‌گذارند. قابلیت بازگشت انرژی (Regenerative) و اعوجاج هارمونیکی پایین، حتی زمانی که یک محصول هر دو را ارائه می‌دهد، الزامات جداگانه‌ای هستند.

یک گردش کار عملی برای بررسی هارمونیک

1. شکایت و محدوده را تعریف کنید. داغ شدن بیش‌ازحد، عملکرد مزاحم، انطباق، توسعه یا نقص عملکرد تجهیزات را به‌عنوان مشکل اصلی شناسایی کنید.
2. نمودار تک‌خطی و فهرست بارها را مرور کنید. بارهای غیرخطی، بانک‌های خازنی، ژنراتورها، ترانسفورماتورها و فیدرهای طولانی را مشخص کنید.
3. یک خط مبنا در PCC یا باس‌بار اصلی ایجاد کنید. ولتاژ، جریان، دیماند، THD/TDD و طیف هارمونیکی را ثبت کنید.
4. مراتب غالب را به سمت بارهای انشعابی ردیابی کنید. تغییرات را همزمان با سیکل کاری بارهای اصلی مقایسه کنید.
5. رزونانس و امپدانس سیستم را بررسی کنید. اطلاعات ترانسفورماتور و بانک خازنی را در مطالعه بگنجانید.
6. راهکارهای کاهش اثرات پیشنهادی را انتخاب کنید. کاهش در منبع، فیلترینگ غیرفعال، فیلترینگ فعال و اقدامات حفاظتی تجهیزات را با هم مقایسه کنید.
7. عملکرد مورد انتظار مدل. وضعیت‌های عملکرد عادی، حداقل، حداکثر، شبکه و ژنراتور را بررسی کنید.
8. با استفاده از حفاظت و طراحی حرارتی اجرا کنید. هادی‌ها، تجهیزات کلیدزنی، تهویه و حفاظت فیلتر را هماهنگ کنید.
9. اندازه‌گیری‌های اولیه را تکرار کنید. بهبود حاصل‌شده را در همان مکان‌ها و وضعیت‌های بار قابل مقایسه، تایید کنید.

اشتباهات رایج در ارزیابی هارمونیک

در نظر گرفتن تمام درصدهای THD به عنوان مقداری یکسان

مقدار را همیشه به صورت THDv، THDi یا TDD برچسب‌گذاری کنید و مخرج کسر آن را ثبت نمایید. یک درصد بدون مشخص کردن کمیت اندازه‌گیری‌شده و محل آن، داده ناقص محسوب می‌شود.

اندازه‌گیری تنها در محل بار غیرخطی

اندازه‌گیری در ترمینال بار، مشخصات بار را توصیف می‌کند اما انطباق با استانداردها یا تأثیر آن در نقطه اتصال مشترک (PCC) را تعیین نمی‌کند. در صورت نیاز، هر دو مورد را اندازه‌گیری کنید.

استفاده از THD بدون طیف هارمونیکی

دو سیستم ممکن است THD یکسانی داشته باشند اما به دلیل تفاوت در مرتبه‌های غالب، به روش‌های اصلاحی متفاوتی نیاز داشته باشند. داده‌های هارمونیکی انفرادی را حفظ کنید.

نصب خازن‌ها بدون بررسی تشدید (رزونانس)

خازن‌ها می‌توانند تشدید شبکه را به سمت یک هارمونیک موجود سوق دهند. پیش از افزودن یا توسعه سیستم اصلاح ضریب توان، محتوای هارمونیکی و امپدانس را بررسی کنید.

فرض اشتباه مبنی بر اینکه SPD هارمونیک‌ها را حذف می‌کند

یک SPD ولتاژهای گذرا را بر اساس طراحی خود محدود می‌کند؛ این دستگاه به طور مداوم هارمونیک‌های فرکانس توان مرتبه پایین را فیلتر نمی‌کند. هارمونیک‌ها و ولتاژهای گذرا نیازمند ارزیابی‌ها و اقدامات حفاظتی متفاوتی هستند. برای محدوده حفاظت در برابر ولتاژ گذرا، به دستگاه حفاظت از نوسان چه کاری انجام می‌دهد.

درمان نول بزرگ‌تر یا ترانسفورماتور به عنوان کاهش‌دهنده در منبع

تجهیزات دارای مقاومت حرارتی بالا ممکن است بار هارمونیکی را بهتر تحمل کنند، اما این موضوع لزوماً تزریق هارمونیک یا اعوجاج ولتاژ را کاهش نمی‌دهد. اقدامات مربوط به تحمل‌پذیری را از اقدامات مربوط به کاهش انتشار مجزا کنید.

سوالات متداول

تفاوت بین هارمونیک‌ها و THD چیست؟

هارمونیک‌ها مؤلفه‌های فرکانسی مجزایی هستند که ضرایب صحیحی از فرکانس اصلی می‌باشند. THD یک درصد واحد است که نشان‌دهنده مقدار جذر مجموع مربعات آن مؤلفه‌های هارمونیکی نسبت به یک مرجع مشخص است.

آیا THD برای ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود یا جریان؟

این مقدار برای هر دو قابل اندازه‌گیری است. THDv بیانگر اعوجاج شکل‌موج ولتاژ است، در حالی که THDi بیانگر اعوجاج شکل‌موج جریان می‌باشد. کمیت باید ذکر شود، زیرا دلایل، محدودیت‌ها و تفسیر آن‌ها متفاوت است.

چرا THD جریان در بار سبک ممکن است بسیار بالا به نظر برسد؟

THDi جریان هارمونیک را بر جریان لحظه‌ای اصلی تقسیم می‌کند. در بارهای کم، مخرج کسر (جریان اصلی) کوچک می‌شود، بنابراین درصد آن می‌تواند افزایش یابد، حتی اگر مقدار مطلق جریان هارمونیک زیاد نشده باشد. دامنه جریان، طیف و در صورت لزوم TDD را بررسی کنید.

تفاوت بین THDi و TDD چیست؟

THDi جریان هارمونیک را نسبت به جریان اصلی در لحظه اندازه‌گیری می‌سنجد. TDD آن را نسبت به یک جریان بار حداکثرِ تعریف‌شده می‌سنجد. بنابراین، TDD برای ارزیابی PCC در شرایط بار متغیر، پایدارتر است.

آیا هارمونیک‌ها همیشه جریان نول را افزایش می‌دهند؟

نه در هر سیستم الکتریکی. این نگرانی در سیستم‌های سه‌فاز چهارسیمه که بارهای غیرخطی تک‌فاز زیادی را تغذیه می‌کنند، جدی‌تر است، جایی که جریان‌های هارمونیک مرتبه سوم (triplen) می‌توانند در نول با هم جمع شوند. به جای فرضِ حذف جریان‌ها، نول را مستقیماً اندازه‌گیری کنید.

آیا بانک خازنی می‌تواند THD را کاهش دهد؟

تنها زمانی که به عنوان بخشی از یک سیستم فیلترینگ هارمونیک یا جبران‌ساز دارای راکتور (detuned) طراحی شده باشد. یک بانک خازنی استاندارد ممکن است THD را کاهش ندهد و اگر با اندوکتانس سیستم به تشدید برسد، می‌تواند اعوجاج را تشدید کند.

آیا برق‌گیر (SPD) هارمونیک‌ها را فیلتر می‌کند؟

خیر. یک SPD به اضافه ولتاژهای گذرا می‌پردازد. هارمونیک‌ها مؤلفه‌های شکل موج پایدار یا تکرارشونده‌ای هستند که نیازمند کاهش در منبع، راکتورها، فیلترهای هارمونیک یا سایر اقدامات مربوط به کیفیت توان می‌باشند.

اندازه‌گیری‌های استاندارد IEEE 519 باید در چه محلی انجام شوند؟

استاندارد IEEE 519 اهداف اعوجاج پایدار را در نقطه اتصال مشترک (PCC) کاربر تعیین می‌کند. نقطه اتصال مشترک واقعی باید بر اساس چیدمان سرویس و پروژه شناسایی شود و نباید فرض کرد که هر ترمینال تجهیزات، یک نقطه اتصال مشترک است.

برای اندازه‌گیری THD به چه دستگاهی نیاز است؟

از یک تحلیل‌گر کیفیت توان که برای هدف ارزیابی مناسب بوده و قادر به ثبت ولتاژ سه فاز، جریان، طیف هارمونیک، THD و در صورت نیاز TDD باشد، استفاده کنید. یک مولتی‌متر با قابلیت true-RMS برای مقادیر RMS دقیق در شکل موج‌های اعوجاج‌یافته مفید است، اما معمولاً نمی‌تواند یک مطالعه کامل هارمونیکی انجام دهد.

نتيجه گيری

ارزیابی هارمونیک، جستجو برای یک عدد THD قابل قبول نیست. بلکه یک بررسی ساختاریافته از مؤلفه‌های شکل موج، محل اندازه‌گیری، قدرت سیستم، رفتار بار و تعامل تجهیزات است.

با تفکیک THDv، THDi و TDD شروع کنید. در مرز صحیح و تحت شرایط کاری معرف اندازه‌گیری کنید، طیف هارمونیکی فردی را حفظ کرده و مرتبه‌های غالب را به سمت منابع آن‌ها ردیابی کنید. سپس راهکار کاهشی متناسب با شبکه را انتخاب کنید: راکتورها برای امپدانس و صاف‌سازی، فیلترهای پسیو برای طیف‌های قابل پیش‌بینی، فیلترهای اکتیو برای بارهای متغیر، یا تجهیزات با هارمونیک پایین در مواردی که کاهش در منبع، تصمیم بهتری برای سیستم است.

برای تابلو سازان و تولیدکنندگان تجهیزات اصلی (OEM)، مهم‌ترین مشخصه صرفاً “THD پایین” نیست. این یک الزام عملکردی تعریف‌شده است که به نقطه اتصال مشترک (PCC) یا ترمینال تجهیزات، محدوده بار کاری، استاندارد کاربردی، روش اندازه‌گیری و فرآیند تاییدیه متصل است.

منابع

• IEEE 519-2022: استاندارد کنترل هارمونیک در سیستم‌های قدرت الکتریکی
• IEC 61000-4-7: اندازه‌گیری و تجهیزات اندازه‌گیری هارمونیک‌ها و میان‌هارمونیک‌ها
• IEC 61000-4-30:2025: روش‌های اندازه‌گیری کیفیت توان
• IEC 61000-2-4:2024: سطوح سازگاری در سیستم‌های توزیع برق صنعتی
• اشنایدر الکتریک: ملاحظات کیفیت توان
• راهنمای فنی شماره 6 شرکت ABB: راهنمای هارمونیک‌ها در درایوهای AC
• فلوک: عیب‌یابی هارمونیک‌های توان