هارمونیک‌های ولتاژ، همان موج های مزاحم و ناخوانده ای هستند که در دل جریان یا ولتاژ سیستم الکتریکی ظاهر می شوند و شکل سینوسی ایده آل را خراب می کنند. این انحراف ها اغلب به خاطر وجود بارهای غیرخطی ایجاد می شوند و اگر کنترل نشوند، می توانند به تدریج سیم‌پیچی ژنراتور را فرسوده کرده و عمر مفید آن را به شدت کاهش دهند.
شناخت این پدیده و راه های مقابله با آن، برای هر فردی که با ژنراتورهای دیزلی یا صنعتی کار می کند، یک ضرورت فنی و اقتصادی است. در این مقاله، به طور کامل تأثیر هارمونیک‌های ولتاژ بر استهلاک سیم‌پیچی ژنراتور، راه های شناسایی و روش های کاهش آن را بررسی می کنیم.
آنچه خواهید خواند
هارمونیک‌های ولتاژ چیستند؟
برای شروع، باید بدانیم که «هارمونیک ولتاژ» به چه معناست. به زبان ساده، هارمونیک‌ها مؤلفه‌هایی از ولتاژ یا جریان هستند که فرکانسی برابر با مضرب صحیحی از فرکانس اصلی سیستم دارند. به عنوان مثال، اگر فرکانس پایه شبکه برق ۵۰ هرتز باشد، هارمونیک مرتبه دوم در فرکانس ۱۰۰ هرتز، مرتبه سوم در ۱۵۰ هرتز، مرتبه چهارم در ۲۰۰ هرتز و به همین ترتیب ایجاد می شود.
در شرایط ایده‌آل، شکل موج ولتاژ یک موج سینوسی کاملاً صاف و بدون انحراف است. اما در عمل، حضور بارهای غیرخطی مثل درایوهای سرعت متغیر (VFD)، منابع تغذیه سوئیچینگ، لامپ های فلورسنت، سیستم‌های UPS، و حتی برخی انواع موتورها باعث انحراف شکل موج می شود. این انحراف، با ایجاد فرکانس های اضافی، همان هارمونیک‌ها را به وجود می آورد.
وجود این هارمونیک‌ها در مدار ژنراتور و تابلو برق، می تواند باعث افزایش گرمای سیم‌پیچی، لرزش مکانیکی، کاهش راندمان و حتی اختلال در عملکرد تجهیزات حساس شود. به همین دلیل، شناسایی و کنترل هارمونیک‌های ولتاژ، یکی از الزامات مهم در نگهداری و بهره‌برداری از سیستم های الکتریکی و به خصوص ژنراتورهاست.
چرا هارمونیک‌ها برای سیم‌پیچی ژنراتور مضر هستند؟
وقتی هارمونیک‌های ولتاژ در سیستم وجود داشته باشند، جریان سیم‌پیچ‌ها افزایش پیدا می کند بدون آن‌که توان مفید بیشتری تحویل بار شود. این پدیده باعث ایجاد گرمای اضافی می شود که به مرور زمان عایق سیم‌پیچی را تضعیف کرده و باعث شکست الکتریکی می شود. اثرات اصلی عبارتند از:
- افزایش تلفات مسی (I²R): هرچه جریان بیشتر باشد، حرارت بیشتری در هادی‌ها ایجاد می شود و این حرارت دشمن شماره یک سیم‌پیچی است.
- ایجاد لرزش و نویز مکانیکی: میدان‌های مغناطیسی حاصل از هارمونیک‌ها، نیروهای متغیری بر سیم‌پیچ وارد می کنند که باعث لرزش مکانیکی می شود.
- کاهش راندمان ژنراتور: بخشی از ظرفیت دستگاه صرف جبران اثرات هارمونیک‌ها می شود.
- آسیب به سایر تجهیزات: ترانسفورماتورها، کابل‌ها و حتی سیستم‌های کنترلی نیز از اثرات مخرب هارمونیک‌ها بی‌نصیب نمی‌مانند.
انواع هارمونیک‌های رایج در ژنراتورهای دیزلی
در ژنراتورهای دیزلی، به‌خصوص آن‌هایی که به بارهای صنعتی و غیرخطی متصل هستند، هارمونیک‌ها با شدت بیشتری بروز می کنند. مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:
- هارمونیک‌های مرتبه سوم: این هارمونیک‌ها جمع شده و در سیم نول جریان‌های بزرگی ایجاد می کنند که ممکن است باعث داغ شدن بیش‌ازحد آن شود.
- هارمونیک پنجم و هفتم: این‌ها گشتاورهای مخالفی در موتورهای القایی ایجاد می کنند که می تواند به عملکرد نامناسب آن‌ها منجر شود.
- هارمونیک‌های بالاتر از مرتبه هفتم: گرچه دامنه کمتری دارند، اما به‌دلیل فرکانس بالا، باعث ایجاد تلفات دی‌الکتریک در عایق‌ها می شوند.
روش‌های تشخیص و تحلیل هارمونیک در مدار ژنراتور
تشخیص هارمونیک‌ها نیاز به تجهیزات اندازه‌گیری تخصصی دارد. سه ابزار اصلی عبارتند از:
- آنالایزر کیفیت توان (Power Quality Analyzer): درصد کل انحراف هارمونیک (THD) را محاسبه می کند.
- اسیلوسکوپ دیجیتال: شکل موج ولتاژ یا جریان را نشان می‌دهد و وجود انحراف را آشکار می‌سازد.
- نرم‌افزارهای شبیه‌سازی: امکان پیش‌بینی میزان هارمونیک‌ها را قبل از راه‌اندازی سیستم فراهم می کنند.
راهکارهای کاهش اثرات مخرب هارمونیک‌ها
برای کاهش تأثیر هارمونیک‌های ولتاژ بر استهلاک سیم‌پیچی ژنراتور، می توان اقدامات زیر را انجام داد:
- استفاده از فیلترهای هارمونیک (Passive و Active)
- انتخاب ژنراتور با طراحی مناسب و سیم‌پیچی مقاوم در برابر حرارت
- کنترل بارهای غیرخطی و توزیع صحیح آن‌ها بین فازها
- استفاده از ترانسفورماتورهای حذف‌کننده هارمونیک مانند ترانسفورماتور Δ-Y
تأثیر بلندمدت هارمونیک بر عمر ژنراتور و نیاز به تعمیرات
اگر هارمونیک‌ها کنترل نشوند، در بلند مدت:
- عمر مفید سیم‌پیچی به نصف یا حتی کمتر کاهش می‌یابد.
- هزینه های نگهداری و تعمیرات افزایش می‌یابد.
- خطر خاموشی ناگهانی سیستم بالا می‌رود.
یک ژنراتور که به طور مداوم در معرض هارمونیک‌های بالا قرار دارد، ممکن است در مدت کوتاهی نیازمند تعویض کامل سیم‌پیچ شود.
هارمونیک‌های ولتاژ اگرچه قابل مشاهده نیستند، اما تأثیر هارمونیک‌های ولتاژ بر استهلاک سیم‌پیچی ژنراتور کاملاً محسوس و پرهزینه است. شناخت، پایش و کنترل این پدیده می تواند عمر مفید سیم‌پیچی و مدارهای ژنراتور را به شکل چشمگیری افزایش دهد. استفاده از تجهیزات اندازه‌گیری مناسب، طراحی درست سیستم و به‌کارگیری فیلترهای مناسب، کلید اصلی مقابله با این دشمن پنهان است.
