هارمونیک ها، ولتاژ ها یا جریان هایی هستند که توسط بار های نامتعادل روی سیستم های تغذیه، ایجاد میشوند. فرکانس های هارمونیک در چندین ضریب صحیح از یک فرکانس اصلی رخ میدهند و با قرار گرفتن روی موج یا فرکانس اصلی، یک موج تغییر یافته ایجاد میکنند. هارمونیک ها ابتدا توسط مرتبه خود، یعنی ضریب صحیح فرکانس اصلی، دسته بندی میشوند. به عنوان مثال، برای یک فرکانس پایه 60 هرتزی، هارمونیک مرتبه سوم 180 هرتز، هارمونیک مرتبه چهارم 240 هرتز و به همین ترتیب خواهد بود.
فرکانس اصلی، که به آن هارمونیک اول نیز گفته میشود، شکل موجی است که فرکانس منبع تغذیه را دارد. (60 هرتز در آمریکای شمالی و بخش هایی از آفریقای جنوبی و 50 هرتز در تقریبا بقیه کشورهای دنیا)
بار های خطی و غیرخطی
بارهای روی منبع تغذیه میتوانند خطی یا غیرخطی باشند که به نحوی که بار از منبع جریان میکشد اشاره دارد. بار های خطی جریانی متناسب با ولتاژ دارند که باعث میشود رابطه بین آن ها سینوسی باشد. اما بارهای غیرخطی هر طور که نیاز دارند جریان مصرف میکنند که باعث ایجاد شکل موج های تحریف شده که حاوی هارمونیک هستند، میشوند.
علاوه بر مرتبه یا ضریب فرکانس اصلی، هارمونیک ها بر اساس توالی نیز دسته بندی میشوند که به چرخش هارمونیک ها نسبت به موج اصلی اشاره دارد. هارمونیک های توالی مثبت، هارمونیک های چهارم، هفتم، دهم و… هستند و در همان جهت فرکانس اصلی چرخش میکنند. هارمونیک های توالی منفی شامل هارمونیک های دوم، پنجم، هشتم و … هستند. این هارمونیک ها در خلاف جهت فرکانس اصلی میچرخند.
چون هارمونیکهای دنباله منفی در جهت مخالف فرکانس اصلی چرخش میکنند، اثر برگردانی به میدان مغناطیسی چرخان موتور ایجاد میکنند و این باعث ضعیف شدن میدان مغناطیسی چرخان میشود، که میزان گشتاور تولید شده توسط موتور را کاهش میدهد. و اگرچه هارمونیکهای دنباله مثبت در همان جهت فرکانس اصلی چرخش میکنند، میتوانند باعث تولید گرمای زیاد شوند که برای موتورها، کابلها و سایر تجهیزات آسیبزا میباشد.
توجه داشته باشید که هارمونیکهای توالی مثبت یا منفی هیچ مضربی از سه را شامل نمیشوند. ضرایب فرد هارمونیک سوم — مثل 3، 9، 15 و غیره — به نام “تریپلن” شناخته میشوند و چرخشی ندارند. تریپلنها بین فاز و نوترال (یا زمین) گردش میکنند و در سیم نوترال مشترک جمع میشوند. این میتواند منجر به داشتن جریان در سیم نوترال با دامنه سه برابر دامنه جریان فاز در فرکانس اصلی شود و باعث گرم شدن زیاد سیم نوترال شود.
سیستمهای قدرت به طور معمول شامل هارمونیکهای زوج (2، 4، 6، 8 و غیره) نیستند و سیستمهای سه فاز حاوی تریپلنها یا هارمونیکهای مضرب سه (3، 9، 15، 21 و غیره) نمیباشند. بنابراین، در عدم وجود هارمونیکهای زوج یا تریپلن، سیستمهای کنترل حرکت بیشتر با هارمونیکهای مرتبه 5، 7، 11 و 13 سر و کار دارند.
اختلال هارمونیک کل (THD)
اختلال هارمونیک کل (THD)، میزان انحراف موج ولتاژ یا جریان از شکل سینوسی خالص خود به دلیل جمع تمام عناصر هارمونیک است. به لحاظ ریاضی، اختلال هارمونیک کل نسبت جذر میانگین مربعی (RMS) فرکانسهای هارمونیک (از هارمونیک دوم تا هارمونیک n) به جذر میانگین مربعی فرکانس اصلی (اولین) است
هارمونیکهای جریان و ولتاژ ممکن است به بارهای متصل به شبکه و به سیستم تغذیه توان – به ویژه ترانسفورماتورها – صدمه بزنند. برای موتورهایی که توسط VFDها یا سروو امپلی فایرها کنترل میشوند، فرکانسهای بالای هارمونیک جریان باعث افزایش تلفات هسته (که وابسته به فرکانس هستند) در موتور میشوند. و هارمونیکهای جریان از ظرفیت منبع تامین انرژی استفاده میکنند بدون اینکه انرژی واقعی به بارهای متصل شده ارائه دهند. بنابراین کاهش ضریب قدرت سیستم را به دنبال دارد. (به یادآورید که انرژی فقط توسط جریان با فرکانس اصلی به بار تحویل داده میشود.)
هارمونیکهای ولتاژ به ویژه به تجهیزات الکترونیک حساس آسیبزا هستند، و هارمونیکهای ولتاژ با توالی منفی (به عنوان مثال هارمونیکهای ولتاژ مرتبه 5 و 11) میزان گشتاوری که موتور میتواند تولید کند را کاهش میدهند. خوشبختانه، راههایی برای کاهش اثر هارمونیکها و کاهش تأثیرات آن بر سامانه تامین انرژی و بارهای متصل وجود دارد. برای VFDها که از یک سو کننده استاندارد بر اساس دیود استفاده میکنند، افزودن امپدانس از طریق یک راکتور خطی یا یک چوک باس دی سی، THD را کاهش میدهد. یک گزینه دیگر استفاده از یک درایو AFE است که از IGBT به جای دیودها برای یکسوسازی برق AC وارد شده به DC استفاده میکند. و VFDهایی که از یکسوکنندههای 12، 18 یا 24 پالسی استفاده میکنند میتوانند هارمونیکهای خاصی را به طور قابلملاحظه کاهش یا حتی حذف کنند و THD را کاهش دهند.