کاربردهای فیلتر هارمونیک در صنایع مختلف و دلایل مهم استفاده از آن ها

همانطور که اتکای ما به برق افزایش یافته است، پیچیدگی شبکه های برق ما نیز افزایش یافته است. افزودن دستگاه های الکترونیکی بیشتر و منابع انرژی تجدید پذیر منجر به افزایش اعوجاج هارمونیک شده است که می تواند منجر به مشکلات قابل توجهی مانند مشکلات کیفیت برق، خرابی تجهیزات و کاهش راندمان شود. در چنین شرایط است که استفاده از فیلتر هارمونیک فعال و غیرفعال می تواند به داشتن یک شبکه برق سالم کمک بسیار شایانی کند. فیلترهای هارمونیک دستگاه‌ هایی هستند که برای کاهش یا حذف هارمونیک‌ ها در سیستم‌ های الکتریکی به کار می‌ روند.  در این گزارش فني قصد داریم درباره کاربردهای فیلتر هارمونیک و دلایل استفاده از آن ها در صنایع مختلف به صورت مفصل توضیح دهیم. 

درک مفهوم هارمونیک در سیستم برق

هارمونیک ها نوعی اعوجاج هستند و زمانی رخ می دهند که یک سیگنال سینوسی با افزودن مولفه های فرکانس که مضرب فرکانس اصلی هستند، تحریف می شود. به عبارت دیگر، هارمونیک ها فرکانس های اضافی هستند که در بالای شکل موج اصلی رخ می دهند. فرکانس اساسی در اکثر سیستم های قدرت بسته به منطقه 50 هرتز یا 60 هرتز است.

وجود هارمونیک ها در یک سیستم قدرت می تواند باعث ایجاد طیفی از مشکلات شود. به عنوان مثال، هارمونیک ها می توانند باعث گرم شدن بیش از حد تجهیزات الکتریکی شوند که منجر به آسیب و کاهش طول عمر می شود. آن ها همچنین می توانند با سیستم های ارتباطی تداخل ایجاد کنند و کارایی تجهیزات الکتریکی را کاهش دهند، بنابراین کنترل سطح هارمونیک ها در سیستم قدرت ضروری است.

فیلترهای هارمونیک فعال و غیر فعال نقش مهمی در حفظ یک شبکه برق سالم دارند. آن ها به کاهش سطح اعوجاج هارمونیک در سیستم کمک می کنند، که می تواند باعث ایجاد طیف وسیعی از مشکلات مانند خطای تجهیزات، اعوجاج ولتاژ و کاهش راندمان شود. با کاهش سطح اعوجاج هارمونیک، فیلترهای هارمونیک فعال و غیر فعال می توانند به بهبود کیفیت سیستم قدرت کمک کنند. در بسیاری از کشورها محدودیت هایی در سطح اعوجاج هارمونیک مجاز در سیستم قدرت وجود دارد. فیلترهای هارمونیک فعال و غیرفعال می توانند به اطمینان از برآورده شدن این الزامات توسط سیستم قدرت کمک کنند.

دلایل استفاده از فیلتر هامورنیک در صنایع مختلف

فیلتر هارمونیک کاربردهای بالقوه زیادی دارد که استفاده از آن می تواند مزایای زیادی را ارائه دهد. ثابت شده است که فیلترهای هارمونیک باعث کاهش اختلالات، انتشار کمتر دی اکسید کربن از طریق بهبود بهره وری انرژی، مصرف جریان کمتر و افزایش پایداری تولید می شوند. همانطور که سایر فناوری ها تکامل یافته اند، فناوری های مختلف تولید نیز تکامل یافته اند. بارهای نیمه هادی امروزی به راه حل های بسیار پیچیده تری نسبت به گذشته نیاز دارند، نیازی که با فیلتر هارمونیک فعال مدرن برطرف می شود.

فیلترهای هارمونیک در طیف وسیعی از کاربردها از جمله صنعتی، تجاری و مسکونی استفاده می شوند. در کاربردهای صنعتی از فیلترهای هارمونیک برای کاهش سطح اعوجاج هارمونیک در سیستم قدرت استفاده می شود که این امر می تواند باعث آسیب به تجهیزات و کاهش راندمان شود. آن ها در طیف وسیعی از صنایع از جمله تولید فولاد، پردازش شیمیایی و مراکز داده استفاده می شوند. در کاربردهای مسکونی از فیلترهای هارمونیک برای بهبود کیفیت منبع تغذیه منازل و همچنین اصلاح نوسانات برق شهر استفاده می شود. آن ها می توانند به کاهش خطر آسیب تجهیزات و بهبود کارایی وسایل الکتریکی کمک کنند.

در ادامه درباره کاربردهای فیلتر هارمونیک بیشتر توضیح می دهیم:

• نفت و گاز

در صنعت نفت و گاز، تجهیزات الکتریکی بسیار حیاتی هستند و هرگونه اختلال در عملکرد آن‌ ها می‌ تواند منجر به توقف تولید، افزایش هزینه‌ های تعمیرات و حتی بروز حوادث شود. بنابراین، استفاده از فیلترهای هارمونیک برای کاهش اثرات مخرب هارمونیک‌ ها بر روی تجهیزات الکتریکی و بهبود کیفیت توان، از اهمیت ویژه‌ ای برخوردار است.

در فرآیندهای تولید نفت و گاز، از سیستم‌ های تزریق آب برای افزایش فشار مخزن و بهبود بازیافت نفت استفاده می‌ شود. این سیستم‌ ها نیز به تجهیزات الکتریکی مختلفی مجهز هستند که می‌ توانند هارمونیک تولید کنند. تجهیزات ابزار دقیق مانند ترانسدیوسر های فشار، دما و جریان نیز می‌ توانند تحت تاثیر هارمونیک‌ ها قرار گیرند و دقت اندازه‌ گیری آن‌ ها را کاهش دهند.

• کوره 

کوره‌ ها و فرآیندهای ریخته‌ گری باعث ایجاد هارمونیک می‌ شوند، این امر تا حد زیادی به دلیل این است که امروزه یکی از پر انرژی ترین فرآیندهای تولید به شمار می آیند. فیلتر هارمونیک فعال برای مبارزه با هر دوی این مسائل برای افزایش پایداری تولید و کاهش اثرات روی شبکه ایده آل است.

• آب و فاضلاب

یکی از کاربردهای فیلتر هارمونیک در صنعت آب و فاضلاب می باشد. صنعت آب و فاضلاب از تجهیزات الکتریکی بسیاری مانند پمپ‌ ها، موتورها، درایو‌های فرکانس متغیر و … استفاده می‌ کند. این تجهیزات اغلب بارهای غیرخطی هستند و در نتیجه هارمونیک‌ هایی را به شبکه برق تزریق می‌ کنند.

تجهیزات تصفیه آب که در پکیج تصفیه فاضلاب استفاده می شوند مانند ته  نشین‌ کننده‌ ها، فیلترها و …، به تجهیزات الکتریکی مختلفی مجهز هستند که می‌ توانند هارمونیک تولید کنند. پمپ‌ ها نیز یکی از مهم‌ ترین تجهیزات در صنعت آب و فاضلاب هستند که اغلب به درایو‌های فرکانس متغیر مجهز هستند که منبع اصلی تولید هارمونیک‌ ها محسوب می‌ شوند. استفاده از فیلترهای هارمونیک در این موارد می‌تواند از آسیب به موتورها و تجهیزات کنترل جلوگیری کند.

سیستم‌ های هوادهی در تصفیه خانه‌ های فاضلاب برای افزایش میزان اکسیژن در آب استفاده می‌ شوند. این سیستم‌ ها نیز به تجهیزات الکتریکی مختلفی مجهز هستند که می‌ توانند هارمونیک تولید کنند.

• فرآیند اتوماسیون

فرآیندهای اتوماسیون از تجهیزات الکتریکی متنوعی مانند درایوهای فرکانس متغیر، اینورترها، PLC ها و سنسورها استفاده می‌ کنند. این تجهیزات اغلب بارهای غیرخطی هستند و در نتیجه هارمونیک‌ هایی را به شبکه برق تزریق می‌ کنند.

سنسورها برای اندازه‌ گیری پارامترهای مختلف در فرآیندهای اتوماسیون استفاده می‌ شوند و ممکن است دقت آن‌ ها تحت تاثیر هارمونیک‌ ها کاهش یابد. PLC ها برای کنترل فرآیندهای اتوماسیون استفاده می‌ شوند و ممکن است تحت تاثیر هارمونیک‌ ها قرار گیرند. اینورترها نیز برای تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب استفاده می‌ شوند و امکان دارد که هارمونیک‌ هایی را به شبکه تزریق کنند.

• نورپردازی

سیستم های نور می توانند هارمونیک هایی ایجاد کنند که هادی های خنثی را گرم کرده و تجهیزات مجاور را مختل کنند. این امر می تواند به معنای اختلالات تولید و هزینه های غیر ضروری تعمیر و نگهداری باشد. لامپ های کم مصرف مدرن ممکن است بسته به نوع آن ها اختلال ایجاد کنند. فیلترهای هارمونیک فعال برای مقابله با این مشکلات مناسب هستند.

• درایوهای سروو

درایوهای سروو دستگاه‌ هایی هستند که برای کنترل دقیق سرعت و موقعیت موتورهای الکتریکی استفاده می‌ شوند. این درایوها از فناوری اینورتر برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم و سپس به جریان متناوب با فرکانس متغیر استفاده می‌ کنند. این فرآیند تبدیل، هارمونیک‌ هایی را تولید می‌ کند که می‌ توانند بر عملکرد درایو و سایر تجهیزات متصل به آن تاثیر منفی بگذارند.

• کارخانه های جوشکاری

سیستم ‌های جوش الکتریکی نیازهای ناهمواری را با پیک‌ های بسیار بالا در تقاضای فعلی در دوره‌ های کوتاه ایجاد می‌ کنند. سطوح ولتاژ بسیار نوسان در نتیجه باعث ایجاد نوسات برق می شود. این نوسانات می‌ تواند باعث اختلال در مصرف‌ کننده‌ های برق دیگر مانند صنایع همسایه یا مناطق مسکونی شود و می‌ تواند باعث مشکلات اطمینان در تجهیزات مجاور شود.

• سیستم های یو پی اس

یو پی اس یا منبع تغذیه بدون وقفه می تواند جان انسان ها و همچنین داده ها و ضررهای مالی را نجات دهد. یک سیستم UPS متصل به یک شبکه آلوده به هارمونیک ممکن است دچار اختلال شود و طول عمر آن کوتاه شود. اتصال یک فیلتر هارمونیک فعال برای تامین برق بدون وقفه، زمان تولید را تضمین می کند.

• داریوهای فرکانس متغیر

رایج ترین کاربردهای فیلتر هارمونیک، جبران هارمونیک های تولید شده توسط درایوهای فرکانس متغیر است که اغلب به عنوان VFD یا مبدل فرکانس شناخته می شود. سیستم‌ های محرک مزایای کاهش تلفات و افزایش انعطاف‌ پذیری تولید را به قیمت انتشار هارمونیک‌ های بالاتر دارند. انتشار هارمونیک ها جبران غیرفعال را نامناسب می کند. فیلتر هارمونیک فعال، به ویژه با رویکرد ماژولار، امکان نصب متوالی و کاهش هارمونیک های انتخابی را فراهم می کند.

• سیستم های انرژی بادی و خورشیدی

یکی از مشکلات اساسی که امروزه در بسیاری از منابع انرژی تجدیدپذیر وجود دارد، بار ناپایدار تحویل به شبکه است. هم انرژی باد و هم انرژی خورشیدی با در دسترس بودن باد و خورشید تحویل داده می شود و باعث افزایش انرژی می شود که شبکه موجود معمولاً برای آن ساخته نشده است. مکان دور این نیروگاه‌ های انرژی نیز به این معنی است که اتصالات شبکه بهینه نیست.

نیروگاه های خورشیدی باعث ایجاد هارمونیک می شوند. در برخی موارد، به ویژه در شبکه های ضعیف تر، رزونانس ها ممکن است توسط خروجی هارمونیک اینورترهای خورشیدی تحریک شوند. فیلتر هارمونیک فعال در مبارزه با این مشکلات بسیار موثر است.

سخن پایانی درباره اهمیت استفاده از فیلتر هارمونیک در صنایع مختلف

در مجموع، فیلترهای هارمونیک ابزاری حیاتی در حفظ سلامت و پایداری شبکه های برق ما هستند. آن ها از طریق توانایی خود در کاهش اعوجاج هارمونیک، از آسیب تجهیزات جلوگیری می کنند و کیفیت توان را بهبود می بخشند. در حالی که ممکن است محدودیت ها و چالش هایی داشته باشند، اما نمی توان اهمیت آن ها را نادیده گرفت. همانطور که ما همچنان برای نیازهای روزانه خود به برق تکیه می کنیم، فیلترهای هارمونیک نقش بسیار مهمی در تضمین قابلیت اطمینان و کارایی سیستم های قدرت ما خواهند داشت.

_____________________________________________________________________________

گرد آوري و تدوين توسط :

كميته صنعت ، معدن و تجارت

كانون مهندسين فارغ التحصيل دانشكده فني دانشگاه تهران

بهمن ١٤٠٣