هنگامی که اعوجاج هارمونیک رخ می‌دهد، جریان‌های مزاحم با فرکانس بالا ایجاد می‌شوند که مقاومت را افزایش داده و باعث تولید گرمای ناخواسته درون قطعات الکتریکی می‌شوند. ترانسفورماتورها، موتورها و هادی‌ها مجبور می‌شوند بیش از حد لازم کار کنند و از حد طراحی حرارتی آنها فراتر روند. بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد؟ این جریان‌ها در هسته‌های مغناطیسی و سیم‌پیچ‌ها، جریان‌های گردابی ایجاد می‌کنند. این فرآیند به شدت سرعت پیر شدن عایق‌بندی را افزایش می‌دهد و گاهی باعث می‌شود که عایق‌ها تا ۴۰٪ سریع‌تر از شرایط عادی فرسوده شوند. با بررسی داده‌های سال ۲۰۲۳ از کارخانه‌های مختلف تولیدی، به یافته‌ای مهم دست می‌یابیم: تقریباً هفت در ده از خرابی‌های زودهنگام موتورها ریشهٔ خود را در همین مشکل گرمایش بیش از حد ناشی از هارمونیک‌ها دارند. بانک‌های خازنی نیز وضعیت بهتری ندارند. خازن‌هایی که در محیط‌هایی با تحریف هارمونیکی کلی بالا کار می‌کنند، سه برابر بیشتر از حد معمول دچار شکست دی‌الکتریک می‌شوند.
مطالعات اخیر نشان می‌دهند که فیلترهای فعال هارمونیکی دمای هادی‌ها را در خوشه ماشین‌های CNC به میزان ۱۸ تا ۳۵ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهند و بازه نگهداری تجهیزات را به میزان ۲۲ درصد افزایش می‌دهند.
تصویربرداری حرارتی مادون قرمز به شناسایی علائم اولیه تنش هارمونیکی از طریق دمای عملیاتی بالاتر کمک می‌کند:
| نقطه اندازه‌گیری | دمای عادی | دمای هارمونیک بالا |
|---|---|---|
| کلاهک‌های ترانسفورماتور | 65°C | 89 درجه سانتی‌گراد |
| جعبه ترمینال موتور | 55°C | 72°C |
| پوسته خازن | 45°C | 68°C |
تجهیزاتی که از حدود هارمونیک IEEE 519-2022 فراتر می‌روند، معمولاً در چرخه‌های تولید به سرعت 2.3 برابر افزایش دما را تجربه می‌کنند. سیستم‌های نوین پایش، داده‌های THD% و حرارتی را ادغام می‌کنند تا به‌صورت خودکار فیلترهای فعال هارمونیک را هنگامی که دما به آستانه‌های بحرانی مانند 55°C می‌رسد، فعال کنند.
سیستم‌های کنترل صنعتی حتی زمانی که نگهداری منظم داشته باشند، به دلیل پدیده‌ای به نام اعوجاج هارمونیک دچار خرابی می‌شوند. این اعوجاج باعث تحریف شکل موج ولتاژ شده و عملکرد قطعات الکترونیکی ظریف داخلی را مختل می‌کند. نتیجه چیست؟ رله‌ها دچار اختلال عملکرد می‌شوند، سنسورها خواندن‌های نادرستی ارائه می‌دهند و موتورهای سروو بسیار زودتر از موعد معیوب می‌شوند. بر اساس یک بازرسی اخیر در سال ۲۰۲۳ درباره کیفیت برق، حدود دو سوم خرابی‌های ناشناخته موتورها در کارخانه‌ها در واقع مشکلات مکانیکی نبوده، بلکه ناشی از ولتاژهای ناپایدار ناشد از هارمونیک‌ها بوده است. اکثر تیم‌های نگهداری این مشکلات الکتریکی پنهان را کاملاً از قلم می‌اندازند و وقت خود را صرف تعمیر آنچه روی سطح معیوب به نظر می‌رسد می‌کنند، در حالی که مشکل واقعی بی‌صدا در پس‌زمینه منتظر ایجاد مشکلات بیشتر است.
مجتمع بسته‌بندی گوشت هر هفته با خرابی مکرر PLCها دست و پنجه نرم می‌کرد، هرچند که دقیقاً از رویه‌های تعمیر و نگهداری توصیه‌شده توسط سازنده پیروی می‌کرد. وقتی مهندسان به بررسی مشکلات کیفیت برق پرداختند، فرکانس‌های هارمونیک ۷ام و ۱۱ام مشکل‌ساز را شناسایی کردند که باعث ایجاد پدیده تشدید در سیستم الکتریکی ۴۸۰ ولت آنها می‌شد. این هارمونیک‌ها نوسانات ولتاژ گذرا ایجاد می‌کردند که به سطح هولینگ هارمونیکی (THD) بالای ۲۳٪ می‌رسیدند؛ مقداری بسیار بالاتر از حد مجاز ۸٪ که در استاندارد IEEE 519-2022 برای مدارهای کنترلی تعیین شده است. وضعیت را بدتر می‌کرد این بود که این الگوهای فرکانسی خاص توانسته بودند از فیلترهای معمول حفاظت در برابر اضافه ولتاژ عبور کنند و در نهایت چندین ماژول ورودی/خروجی PLC را بسوزانند. راه‌حل زمانی به دست آمد که از فیلترهای فعال تطبیقی هارمونیک (AHF) استفاده کردند. تنها در سه ماه پس از نصب، سطح هارمونیک‌ها به زیر ۴٪ کاهش یافت و آن توقف‌های ناخواسته و آزاردهنده کاملاً از برنامه تولید حذف شدند.
فیلترهای هارمونیک فعال به‌صورت پویا جریان‌های خنثی‌کننده در مقابل فاز تزریق می‌کنند تا هارمونیک‌های مضر را در زمان واقعی بی‌اثر کنند. برخلاف فیلترهای غیرفعال که تنها به فرکانس‌های ثابت محدود می‌شوند، فیلترهای ACF با بارهای متغیری که در تأسیساتی که از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و تجهیزات جوشکاری استفاده می‌کنند، رایج هستند سازگار می‌شوند. این اصلاح مداوم:
با حل مشکل اصلی اعوجاج هارمونیکی، فیلترهای ACF عمر تجهیزات را افزایش داده و برنامه‌های نگهداری موجود را بهبود می‌بخشند. تأسیساتی که از فیلترهای ACF استفاده می‌کنند، سالانه ۴۳٪ دستورکار نگهداری تعمیری کمتری گزارش می‌دهند.
کل ناهمسانی هارمونیک، یا به اختصار THD، در اصل میزان انحراف یک سیگنال از آنچه که ما آن را موج سینوسی خالص می‌نامیم را اندازه‌گیری می‌کند. وقتی THD از ۵٪ فراتر رود، این امر می‌تواند منجر به مشکلات واقعی مانند کاهش بازده و مسائل قابلیت اطمینان در آینده شود. سطوح بالای THD باعث تلفات انرژی در ترانسفورماتورها به میزان حدود ۱۲٪ یا بیشتر، ایجاد گشتاور معکوس ناخواسته در سیستم‌های موتوری، افزایش تحمیل بار بر روی هادوها به دلیل اثر پوستی بیشتر، و ساییدگی سریع‌تر مواد عایق نسبت به حالت عادی می‌شود. با بررسی داده‌های اخیر صنعت در سال گذشته، مشاهده شده است که واحدهایی که استانداردهای IEEE 519 را در مورد THD ولتاژ رعایت نمی‌کنند، در مقایسه با سایرین حدود ۲۳٪ هزینه اضافی برای نگهداری پرداخت کرده‌اند. این هزینه‌های اضافی عمدتاً ناشی از خرابی بانک‌های خازنی و رله‌های معیوب است که هیچ‌کس نمی‌خواهد در عملیات عادی با آنها مواجه شود.
استاندارد IEEE 519-2022 حداکثر تحریف هارمونیک ولتاژ مجاز را کمتر از 8٪ برای سیستم‌های کم‌ولتاژ (<1 کیلوولت) و کمتر از 5٪ برای شبکه‌های متوسط‌ولتاژ (1 تا 69 کیلوولت) تعیین می‌کند. شرکت‌های برق، به‌طور فزاینده‌ای، انطباق با این استاندارد را از طریق بندهای قراردادی اعمال می‌کنند. مطالعه‌ای که در سال 2023 توسط EnergyWatch انجام شد نشان داد که 42 درصد از کاربران صنعتی زمانی که تحریف هارمونیک ولتاژ در نقطه تلاقی (PCC) از 6.5 درصد فراتر می‌رفت، اخطار عدم انطباق دریافت کرده‌اند.
فیلترهای غیرفعال سنتی با تنظیم ثابت زمانی بهترین عملکرد را دارند که با فرکانس‌های هارمونیک خاصی سروکار داشته باشند، اما در محیط‌های صنعتی امروزی که درایوهای فرکانس متغیر طیف وسیعی از هارمونیک‌ها را تولید می‌کنند، با مشکل مواجه می‌شوند. اندازه‌گیری‌های واقعی نشان می‌دهد که این رویکردهای غیرفعال حداکثر حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش اعوجاج هارمونیک کل را فراهم می‌کنند. در مقایسه با آنچه با فیلترهای فعال سازگار مشاهده می‌کنیم که به طور مداوم بین ۸۰ تا ۹۵ درصد اثربخشی دست می‌یابند. دلیل چیست؟ این سیستم‌های پیشرفته به طور مداوم شکل موج‌های الکتریکی را نظارت کرده و جریان‌های معکوس را به صورت بلادرنگ تزریق می‌کنند، بنابراین حتی در شرایطی که بارها در طول روز تغییر می‌کنند، تجهیزات را مطابق استاندارد نگه می‌دارند. اگرچه این راه‌حلی جادویی نیست، بسیاری از کارخانه‌ها دریافته‌اند که فیلترهای فعال سازگار (AHF) تأثیر قابل توجهی در استراتژی‌های مدیریت کیفیت برق آنها دارد.
تجهیزاتی مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، منابع تغذیه بدون وقفه یا سیستم‌های UPS و درایوهای جریان مستقیم، همگی این جریان‌های هارمونیک آزاردهنده را ایجاد می‌کنند که شکل موج‌های ولتاژ را تحریف کرده و در عمل باعث کاهش کارایی سیستم می‌شوند. چه اتفاقی بعد از آن می‌افتد؟ خُب، ترانسفورماتورها و کابل‌ها بیش از حد لازم تحت فشار کار می‌کنند که به معنای مصرف حدود ۱۲٪ انرژی بیشتر از حد ضروری توسط صنایع است. نگاهی به هر خط تولید کارخانه بیندازید و این موضوع را در نظر بگیرید: راه‌اندازی یک سیستم موتور درایوی استاندارد ۵۰۰ کیلوواتی ممکن است تنها به خاطر هزینه‌های مزاحم توان راکتیو، سالانه حدود ۱۸ هزار دلار هزینه اضافی داشته باشد. و وضعیت زمانی بدتر می‌شود که صحبت از ترکیب هارمونیک‌های مرتبه پنجم و هفتم خاص می‌شود. این هارمونیک‌ها بی‌صدا نیستند؛ بلکه تداخل الکترومغناطیسی ایجاد می‌کنند که باعث کاهش بیشتر کارایی موتورها شده و همزمان باعث می‌شوند تابلوهای توزیع حرارت بیشتری نسبت به شرایط عادی داشته باشند.
فیلترهای فعال هارمونیک، THD را به کمتر از 5٪ کاهش می‌دهند و ضریب توان را بالاتر از 0.95 نگه می‌دارند و مزایای مالی قابل اندازه‌گیری‌ای ارائه می‌دهند:
یک سیستم متداول AHF با ولتاژ 480V معمولاً از طریق این صرفه‌جویی‌های ترکیبی، دوره بازگشت سرمایه را در 18 تا 24 ماه دارد.
هزینه‌های برق برای تأسیسات صنعتی از سال ۲۰۲۱ تاکنون طبق داده‌های بانک جهانی در سال گذشته، به‌طور متوسط ۲۲٪ در سراسر جهان افزایش یافته است و اکنون هزینه‌های تقاضای اوج حدود یک‌سوم هزینه‌های ماهانه شرکت‌ها برای نیازهای انرژی را تشکیل می‌دهد. اکثر تأمین‌کنندگان خدمات عمومی در حال تشدید نظارت بر مسائلی مانند توان راکتیو و اعوجاج هارمونیک فراتر از استانداردهای IEEE 519 هستند و گاهی اوقات زمانی که این مشکلات شدید می‌شوند، تا ۱۲ دلار به ازای هر kVAR هزینه دریافت می‌کنند. کارخانه‌هایی که از فیلترهای فعال هارمونیک استفاده می‌کنند، معمولاً شاهد کاهش ۱۸ تا ۲۷ درصدی قبض‌های انرژی خود نسبت به تأسیسات قدیمی‌تری هستند که هنوز از فیلترهای غیرفعال استفاده می‌کنند. برای تولیدکنندگانی که در پی کاهش هزینه‌ها در عین رعایت مقررات هستند، سرمایه‌گذاری در این راه‌حل‌های تطبیقی تنها یک اقدام هوشمندانه نیست، بلکه در شرایط بازار امروزی تقریباً ضروری شده است.
فیلترهای غیرفعال با فرکانس ثابت به مدارهای پیش‌تعیین‌شده LC وابسته هستند که برای هارمونیک‌های خاص تنظیم شده‌اند و در نتیجه برای محیط‌های صنعتی مدرن با بارهای متغیر مناسب نیستند. محدودیت‌های اصلی شامل:
فیلترهای هارمونیک فعال مدرن از پردازش سیگنال دیجیتال برای ارائه تصحیح فوری هارمونیک استفاده می‌کنند:
برای حداکثر کردن عملکرد در محیط‌های پر از VFD:
تولید هارمونیک کل (THD) میزان انحراف یک سیگنال از موج سینوسی خالص را اندازه‌گیری می‌کند. THD بالا منجر به ناکارآمدی و مشکلات قابلیت اطمینان در سیستم‌های برقی می‌شود و باعث تلف شدن انرژی، فرسودگی بیشتر تجهیزات و خرابی‌های احتمالی در عملکرد می‌گردد.
فیلترهای فعال هارمونیک جریان‌های خنثی‌کننده را به صورت پویا تزریق می‌کنند تا اثرات مخرب هارمونیک‌ها را در زمان واقعی خنثی کرده و با بارهای متغیر سازگار شوند و THD را در سطح قابل قبول نگه دارند. این امر به بهبود کیفیت برق و افزایش عمر تجهیزات کمک می‌کند.
هارمونیک‌ها می‌توانند باعث گرمایش تجهیزات، افزایش تلفات I²R، شکست دی الکتریک در خازن‌ها، رفتارهای نامنظم در سیستم‌های کنترلی و افزایش مصرف انرژی شوند که منجر به افزایش هزینه‌های عملیاتی می‌گردد.
فیلترهای فعال هارمونیک ضریب توان را بهبود می‌بخشند و جریان‌های هارمونیکی را کاهش می‌دهند که این امر منجر به کاهش هزینه‌های تقاضا، به حداقل رساندن تلفات I²R و جلوگیری از جریمه‌های مرتبط با عدم انطباق با استانداردهای کیفیت برق می‌شود و اغلب بازگشت سرمایه را در عرض 18 تا 24 ماه ممکن می‌سازد.
EN
اخبار داغ