۵ نشانه که اکنون به فیلتر هارمونیک فعال نیاز دارید

گرمای بیش از حد تجهیزات و خرابی زودرس

چگونه اعوجاج هارمونیکی باعث تنش حرارتی در ترانسفورماتورها، کابل‌ها و موتورها می‌شود

وقتی جریان‌های هارمونیک از سیستم‌های الکتریکی عبور می‌کنند، باعث ایجاد تلفات مقاومتی می‌شوند که به آن گرمایش I²R می‌گویند و این تلفات با افزایش فرکانس‌ها بسیار سریع‌تر بدتر می‌شوند. موتورها نیز از این مشکل رنج می‌برند، جایی که هارمونیک‌های فرکانس بالا در واقع جریان‌های گردابی ناخواسته‌ای درون قطعات روتور ایجاد می‌کنند. در همین حال، زمانی که شکل موج ولتاژ دچار اعوجاج می‌شود، ترانسفورماتورها مجبور می‌شوند بیشتر از حد طراحی‌شده کار کنند و اغلب از حد نامی kVA تعیین‌شده خود فراتر می‌روند. یک مطالعه اخیر در سال ۲۰۲۳ در مورد سیستم‌های برقی یافته‌ای نگران‌کننده برای مدیران تأسیسات به دست آورده است. کارخانه‌هایی که با تحریف هارمونیک کلی بالای ۱۸٪ کار می‌کنند، تقریباً ۲۵٪ سریع‌تر از گزارش‌های استاندارد IEEE-519 دچار تخریب عایق کابل‌ها می‌شوند. این نوع سایش و فرسودگی در طول زمان انباشته می‌شود و منجر به هزینه‌های تعمیر و تعویض می‌گردد.

نقش فیلتر فعال هارمونیک در کاهش گرمایش بیش از حد و افزایش عمر تجهیزات

فیلترهای فعال هارمونیک با تزریق جریان‌های هارمونیک معکوس در لحظه وقوع، به کاهش تنش حرارتی می‌پردازند که طبق آزمایش‌های انجام‌شده در چندین کارخانه، دمای ترانسفورماتور را حدود ۱۸ درجه سانتی‌گراد (حدود ۳۲ درجه فارنهایت) کاهش می‌دهد. فیلترهای غیرفعال برخلاف این نوع، گاهی مشکلات تشدید را ایجاد می‌کنند. نسخه‌های جدیدتر فعال به‌صورت خودکار با تغییر الگوهای هارمونیک تنظیم می‌شوند، در حالی که سیستم‌های قدیمی قادر به انجام این کار نیستند. اکثر تأسیسات پس از نصب، ضریب توان خود را بالاتر از ۰٫۹۸ مشاهده می‌کنند، هرچند نتایج بسته به شرایط خاص و عمر تجهیزات متفاوت است.

مطالعه موردی: کاهش خرابی‌های موتور در یک تأسیس صنعتی با نصب فیلتر فعال هارمونیک

یک کارخانه بسته‌بندی در منطقه میان‌غرب آمریکا در عرض ۱۲ ماه پس از نصب سیستم فیلتر فعال هارمونیک ۶۰۰ آمپری، هزینه‌های تعویض موتور را ۷۲٪ کاهش داد. داده‌های ثبت‌شده نشان می‌دهند:

پارامتر	قبل از نصب	پس از نصب
دمای سیم‌پیچ موتور	۱۴۸°C	۱۱۲°C
تعویض یاتاقان‌ها	۱۹/ماه	۵/ماه
هزینه‌های انرژی	$۴۲,۸۰۰/ماه	$۳۷,۲۰۰/ماه

سرمایه‌گذاری ۱۸۶,۰۰۰ دلاری در مدت ۲۲ ماه از طریق صرفه‌جویی ترکیبی در مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های نگهداری، بازگشت سرمایه کامل داشت.

خرابی‌های مکرر در سیستم‌های الکترونیکی حساس

تأثیر آلودگی هارمونیکی بر سیستم‌های کنترل و زیرساخت فناوری اطلاعات

وقتی آلودگی هارمونیک وارد مدار می‌شود، شکل موج‌های ولتاژ تمیز را به هم می‌ریزد و باعث بروز انواع مشکلات برای تجهیزات الکترونیکی حساس می‌شود. اعداد و ارقام نیز داستان خاصی را روایت می‌کنند. تأسیساتی که دارای تحریف کلی هارمونیک ولتاژ (THD) بالای ۵٪ گزارش داده‌اند، حدود یک سوم بیشتر کدهای خطا در PLCهای خود مشاهده کرده‌اند. و هنگامی که THD از ۸٪ فراتر رود، طبق نظرسنجی‌های اخیر در سال ۲۰۲۳ از سطح تأسیسات صنعتی، سرورها تقریباً نیمی بیشتر از قبل نیاز به راه‌اندازی مجدد پیدا می‌کنند. چیزی که بسیاری از مهندسان به اندازه کافی درباره آن صحبت نمی‌کنند، افزایش تنش دی‌الکتریک خازن‌ها ناشی از جریان‌های هارمونیک است که به معنای واقعی کلمه باعث فرسودگی زودهنگام برد مدارهای الکترونیکی نسبت به حالت عادی می‌شود. تمام این مسئله زمانی بیشتر برجسته می‌شود که در مراکزی که تعداد زیادی درایو فرکانس متغیر و منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) که امروزه همه‌جا دیده می‌شوند به کار گرفته شده‌اند، رخ دهد. تنها این دستگاه‌ها مسئول بین ۶۰ تا ۸۵ درصد از کل جریان‌های هارمونیک موجود در سیستم‌های برق‌رسانی ساختمان‌های مدرن هستند.

بازیابی برق تمیز با فیلترهای هارمونیک فعال از طریق اصلاح موج

فیلترهای هارمونیک فعال از پایش لحظه‌ای و فناوری IGBT (ترانزیستور دوقطبی با دریچه عایق‌بندی‌شده) برای تشخیص فرکانس‌های هارمونیک (از مرتبه 2 تا 50)، تزریق جریان‌های در مقابل فاز و کاهش THD به زیر 3٪ استفاده می‌کنند. با بازسازی موج سینوسی تمیز، این سیستم‌ها 92٪ از رویدادهای ناهمواری ولتاژ مرتبط با خرابی داده در سیستم‌های کنترل دیجیتال را حذف می‌کنند.

کاربرد عملی: حفاظت از بارهای حساس در ساختمان‌های تجاری

یک مرکز داده واقع در منطقه میدوست آمریکا شاهد کاهش قابل توجهی در خطاهای سیستم اسکادا بود—در واقع حدود ۷۸ درصد—پس از نصب فیلتر هارمونیک فعال 400 آمپری. این فیلتر سطح تحریف هارمونیک جریان (THD) را از حدود ۱۵ درصد که مشکل‌ساز بود، به محدوده‌ای عادی و قابل قبول کاهش داد. با این راه‌حل، چندین مشکل مزمن نیز حل شد؛ از جمله ریست‌های مکرر دیوارهای آتش ناشی از تداخل الکترومغناطیسی (EMI) که در زمان‌های نامناسب اتفاق می‌افتادند. همچنین، افت ولتاژهایی که بر سیستم‌های کنترل دما در عملیات حساس تأثیر می‌گذاشتند کمتر رخ داد و در نهایت، هشدارهای کاذب مداوم سیستم‌های UPS دیگر کارکنان را آزار نداد. از دیدگاه هزینه، مخارج سالانه تعمیر و نگهداری تقریباً نصف شد که اهمیت مدیریت صحیح هارمونیک‌ها را در پایداری و بدون وقفه بودن عملیات روزانه به خوبی نشان می‌دهد.

اضافه بار بانک خازنی و مشکلات تشدید هارمونیکی

سیستم‌های جبران توان راکتیو با مشکلات جدی مواجه می‌شوند وقتی رزونانس هارمونیک رخ می‌دهد. بانک‌های خازنی می‌توانند مشکل‌ساز شوند زمانی که در فرکانس‌های هارمونیک خاصی با اندوکتانس سیستم تعامل داشته باشند. آنچه اتفاق می‌افتد این است که امپدانس به طور ناگهانی کاهش می‌یابد. این امر منجر به جریان‌های اعوجاجی می‌شود که می‌توانند طبق استاندارد IEEE 18-2020 تا 400 درصد افزایش یابند. نتیجه این شرایط، فرسودگی سریع‌تر خازن‌ها است، زیرا چندین عامل در این میان نقش دارند. این عوامل شامل تنش دی‌الکتریک ناشی از نیروهای الکتریکی، سطح جریان‌هایی که از حد نامی خازن‌ها فراتر می‌روند و افزایش قابل توجه دمای داخل تجهیزات به دلیل تولید حرارت اضافی است. این اثرات ترکیبی واقعاً عمر مؤلفه‌های درگیر را کوتاه می‌کنند.

درک خطر رزونانس هارمونیک در سیستم‌های جبران توان راکتیو

هفتاد و سه درصد از خرابی‌های خازن در محیط‌های صنعتی ناشی از رزونانس هارمونیک تشخیص داده‌نشده است (گزارش کیفیت توان IEEE 2022). سیستم‌های سنتی اصلاح ضریب توان می‌توانند مشکل را زمانی که فرکانس‌های هارمونیک با نقاط رزونانس طبیعی هم‌تراز شوند، تشدید کنند که به صورت زیر محاسبه می‌شود:

f_resonance = f_base × √(SSC / Q)

که در آن SSC ظرفیت اتصال کوتاه سیستم و Q ظرفیت بانک خازنی است. همان‌طور که در مطالعات اخیر کیفیت توان نشان داده شده، هارمونیک‌های رایج پنجم و هفتم (300–420 هرتز) اغلب باعث ایجاد رزونانس در شبکه‌های استاندارد 50 هرتز/60 هرتز می‌شوند.

پیشگیری از خرابی خازن با استفاده از فیلترهای فعال هارمونیک به جای راه‌حل‌های غیرفعال

فیلترهای فعال مدرن در عرض 50 میکروثانیه جریان‌های جبرانی تزریق می‌کنند — که 25 برابر سریع‌تر از زمان پاسخگویی معمول خازن‌ها است — بدون اینکه خطر رزونانس جدیدی ایجاد کنند. برخلاف فیلترهای غیرفعال، این فیلترها اصلاح طیف گسترده‌ای را در محدوده هارمونیک‌های 2 تا 51 ارائه می‌دهند و نیازی به تنظیم دستی ندارند.

ویژگی	فیلترهای غیرفعال	فیلترهای فعال
خطر رزونانس	بالا	هیچ
محدوده کاهش THD	فرکانس‌های ثابت	هارمونیک‌های 2 تا 51
نیاز به نگهداری	تنظیم فصلی	نظارت خودکار

بررسی فنی سال 2023 از 47 واحد نشان داد که استفاده از فیلترهای فعال، هزینه‌های تعویض خازن را در مقایسه با سیستم‌های غیرفعال ۹۲ درصد کاهش داده و بازگشت سرمایه را در کمتر از ۱۴ ماه از طریق جلوگیری از توقف تولید و نگهداری به دست آورده است.

سطح بالای تحریف هارمونیک کل (THD) که از استانداردها فراتر می‌رود

اندازه‌گیری تحریف هارمونیک ولتاژ و جریان (THD) برای ارزیابی انطباق کیفیت برق (به عنوان مثال IEEE-519)

THD یا کل اعوجاج هارمونیک، در واقع میزان نویز هارمونیک ناخواسته موجود در سیستم‌های الکتریکی ما را نشان می‌دهد. آخرین استاندارد IEEE از سال 2022 پیشنهاد می‌کند که اعوجاج ولتاژ زیر ۵٪ و اعوجاج جریان کمتر از ۸٪ نگه داشته شود. اما امروزه در اکثر تأسیسات صنعتی، به‌ویژه آن‌هایی که تعداد زیادی درایوهای فرکانس متغیر را به کار می‌گیرند، چه مشاهده می‌شود؟ خوانش‌های THD اغلب در نقاط کلیدی سیستم به بیش از ۱۵٪ می‌رسد. این مقدار حدود ۲٫۷ برابر بیشتر از حد مجاز محسوب می‌شود. و با بررسی داده‌های اخیر وضعیت بدتر می‌شود. گزارش انطباقی که در سال ۲۰۲۴ منتشر شده نشان می‌دهد که حدود یک‌پنجم از کارخانه‌های تولیدی در ایالات متحده هنوز با سطوح THD بالاتر از استانداردهای جدید دست و پنجه نرم می‌کنند، حتی با وجود اینکه مقررات‌گذاران کمی استانداردها را برای سازگاری با منابع انرژی تجدیدپذیر انعطاف‌پذیرتر کرده‌اند.

فیلترهای اعوجاج فعال برای کاهش لحظه‌ای THD از بیش از ۱۸٪ به کمتر از ۵٪

فیلترهای هارمونیک در واقع بسیار سریع عمل می‌کنند و طبق آزمایش‌های اخیر در سال ۲۰۲۳، تنها در ۲ میلی‌ثانیه نوسانات مزاحم را از بین می‌برند. این دستگاه‌ها دارای تطبیق‌پذیری هوشمند داخلی هستند که باعث می‌شود حتی در شرایط بارهای الکتریکی غیرمعمول امروزی — مانند ربات‌های صنعتی بزرگ در کارخانه‌ها یا ایستگاه‌های شارژ سریع خودروهای الکتریکی (EV) که همه‌جا دیده می‌شوند — همچنان استانداردها رعایت شود. به عنوان مثال، یک کارخانه نیمه‌هادی داشتیم که با مشکلات جدی در کیفیت برق مواجه بود که تولید را مختل می‌کرد. پس از نصب این فیلترهای فعال ماژولار، توانستند سطح تحریف هارمونیک ولتاژ (THD) را به‌طور چشمگیری از حدود ۱۷٫۸٪ به حدود ۳٫۲٪ کاهش دهند. این تغییر سالانه حدود هفتصد و چهل هزار دلار برایشان صرفه‌جویی کرد، زیرا دیگر تلفات زیاد وافرهای نیمه‌هادی به دلیل نوسانات برق مزاحم که قبلاً به‌طور مداوم دسته‌های تولید را خراب می‌کرد، اتفاق نمی‌افتاد.

روند رو به رشد صنعت: واحدها از فیلترهای فعال هارمونیک برای رعایت محدودیت‌های مقرراتی استفاده می‌کنند

بر اساس تحقیقات Grand View Research در سال 2024، بازار جهانی فیلترهای هارمونیک فعال تا سال 2030 رشدی حدود 8.9 درصدی در سال را تجربه خواهد کرد. بخش عمده‌ای از این رشد به دلیل اجرای قوانین سخت‌گیرانه کیفیت برق در 14 کشور عضو گروه G20 است. بسیاری از فرآورندگان مواد غذایی در حال انتقال از بانک‌های خازنی قدیمی به این سیستم‌های فعال جدید هستند. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهد تقریباً دو سوم واحدها پس از نصب، کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری را تجربه کرده‌اند، در حالی که تقریباً نیمی از آنها موفق شده‌اند برچسب مطلوب ENERGY STAR را برای عملیات خود کسب کنند. عامل اصلی این حرکت چیست؟ شرکت‌های برق در حال سخت‌گیری شدید بر روی مشکلات اعوجاج هارمونیک کلی هستند. واحدهایی که سطح اعوجاج بالاتر از 8 درصد را برای مدت طولانی داشته باشند، ممکن است در مناطق تجاری جریمه‌هایی به میزان 12 دلار به ازای هر کیلووات‌ساعت متحمل شوند.

‫سوالات متداول‬

هارمونیک چیست؟

اعوجاج هارمونیک در سیستم‌های الکتریکی به معنای انحراف از شکل موج سینوسی خالص است که معمولاً توسط بارهای غیرخطی مانند موتورها یا دستگاه‌های الکترونیکی ایجاد می‌شود.

حرارت نوسانی چگونه بر ترانسفورماتورها تأثیر می‌گذارد؟

امواج اعوجاج‌دار می‌توانند ترانسفورماتورها را بیش از ظرفیت تحت فشار قرار دهند که این امر می‌تواند منجر به گرمای بیش از حد و خرابی زودهنگام شود.

فیلترهای هارمونیک فعال چیستند؟

فیلترهای هارمونیک فعال دستگاه‌های پیشرفته‌ای هستند که با تزریق فاز معکوس، جریان‌های هارمونیک را خنثی می‌کنند و بدین ترتیب نوسان کلی هارمونیک (THD) در سیستم‌های الکتریکی را کاهش می‌دهند.

چرا درایوهای فرکانس متغیر باعث آلودگی هارمونیکی می‌شوند؟

درایوهای فرکانس متغیر فرکانس توان ارائه‌شده به موتورها را تغییر می‌دهند و جریان‌های هارمونیکی ایجاد می‌کنند که به آلودگی سیستم الکتریکی منجر می‌شوند.