هارمونیک اینورتر چیست

وقتی در یک کارخانه، چندین اینورتر هم‌زمان روی یک ترانس یا فیدر کار می‌کنند، گاهی با پدیده‌های عجیبی روبه‌رو می‌شویم: داغ‌شدن غیرعادی ترانس، تریپ بی‌دلیل کلیدها، نویز روی PLC و حتی سوختن بانک خازنی. در بسیاری از این موارد، مقصر اصلی هارمونیک اینورتر است؛ چیزی که دیده نمی‌شود، اما آثارش کاملاً مخرب است. در این مقاله به‌صورت کاربردی توضیح می‌دهیم هارمونیک چیست، هارمونیک اینورتر چگونه به وجود می‌آید، چرا باید کنترل شود و با چه روش‌هایی می‌توان آن را کاهش داد. اگر درگیر طراحی، راه‌اندازی یا عیب‌یابی درایوها هستید، این متن می‌تواند یک مرجع مناسب برای شما باشد.

هارمونیک چیست؟

در حالت ایده‌آل، جریان و ولتاژ شبکه باید کاملاً سینوسی و در فرکانس نامی شبکه (مثلاً 50Hz) باشند. اما هر مصرف‌کننده غیرخطی (مثل رکتیفایر اینورتر، سافت‌استارتر، یکسوکننده‌های تریستوری و…) شکل موج جریان را از حالت سینوسی خارج می‌کند. این شکل موج اعوجاج‌یافته را می‌توان به مجموع یک موج اصلی 50Hz و چندین موج با فرکانس‌های مضرب آن (150Hz، 250 Hz و …) تجزیه کرد که به آن‌ها هارمونیک می‌گوییم.

چند نکته مهم درباره هارمونیک ها:

• هارمونیک‌های مرتبه 5، 7، 11 و 13 معمولاً در شبکه‌های صنعتی مهم هستند.
• شدت هارمونیک را معمولاً با پارامتر THD (Total Harmonic Distortion) بیان می‌کنند؛ مثلاً THDi=35% یعنی شدت هارمونیک‌های جریان تقریباً 35 درصدِ مؤلفه اصلی (50Hz) است.
• هرچه THD بزرگ‌تر باشد، کیفیت توان بدتر است و آثار حرارتی و الکترومغناطیسی آن در شبکه بیشتر می‌شود.

بنابراین وقتی از هارمونیک اینورتر صحبت می‌کنیم، منظور سهم هارمونیک‌هایی است که به‌خاطر کارکرد اینورتر در شبکه و روی بار (موتور) تولید می‌شوند.

منشاء هارمونیک اینورتر چیست؟

هارمونیک اینورتر به اعوجاجی گفته می‌شود که به‌خاطر کلیدزنی و یکسوکننده‌های داخل درایو، روی شکل موج جریان و ولتاژ شبکه سوار می‌شود و کیفیت توان را پایین می‌آورد. وقتی مقدار THDi زیاد باشد، یعنی سهم مؤلفه‌های هارمونیکی در جریان بالاست و این موضوع می‌تواند باعث داغ‌شدن ترانس، کابل‌ها و ایجاد اختلال در تجهیزات حساس شود. در ادامه بخش های مختلفی از درایو که باعث هارمونیک میشود را بررسی میکنیم.

بخش یکسوساز و لینک  DC

بیشتر اینورترهای صنعتی از یک یکسوساز دیودی 6 پل استفاده می‌کنند. یکسوساز درایو فقط در اطراف قله‌های ولتاژ شبکه از منبع جریان می‌کشد، نه به‌صورت یکنواخت در کل نیم‌ دوره. در نتیجه شکل موج جریان ورودی تکه‌ تکه و غیر سینوسی می‌شود و همین اعوجاج، هارمونیک‌های مرتبه‌ بالا و باعث افزایش THDi در شبکه میشود. هرچه ظرفیت اینورتر و تعداد اینورترها در یک فیدر بیشتر باشد، هارمونیک اینورتر روی ترانس و کابل‌ها اثر بیشتری می‌گذارد.

در لینک DC، استفاده از چوک DC می‌تواند شکل موج جریان را کمی صاف‌تر و اعوجاج را کمتر کند؛ این دقیقاً یکی از روش‌های کلاسیک کاهش هارمونیک است که بعداً به آن برمی‌گردیم.

بخش اینورتر و مدولاسیون  PWM

در سمت خروجی، درایو با استفاده از کلیدزنی IGBT و روش PWM یک ولتاژ شبه‌سینوسی تولید می‌کند. این ولتاژ از دید موتور تقریباً سینوسی است، ولی حاوی مؤلفه‌های فرکانس سوئیچینگ (چندکیلوهرتز) و هارمونیک‌های فرعی است؛ این هارمونیک‌های ولتاژ می‌توانند باعث افزایش تلفات موتور، گرم‌شدن عایق و نویز الکترومغناطیسی شوند.

پس به‌طور خلاصه داریم:

سمت ورودی: هارمونیک جریان شبکه (مشکل کیفیت توان، داغ‌شدن ترانس، تریپ کلید).

سمت خروجی: هارمونیک ولتاژ و جریان موتور (مشکل تلفات موتور، عایق، نویز).

هر دو این هارمونیک ها را در این مقاله بررسی می‌کنیم، راه‌حل‌ کاهش هارمونیک در هر سمت ورودی و خروجی، متفاوت است.

چرا کنترل هارمونیک اینورتر مهم است؟

هارمونیک‌های اینورتر می‌توانند چالش‌های واقعی ایجاد کنند که در ادامه به بررسی انها می­پردازیم :

• گرم‌شدن ترانسفورماتور و کابل‌ها
  جریان هارمونیکی، تلفات مسی و آهنی را بالا می‌برد. ترانس یا کابل ممکن است در جریان نامی کار کند اما دما از حد مجاز بالاتر برود.
• مشکل برای بانک خازنی
  خازن‌ها در فرکانس‌های بالاتر امپدانس کمتری دارند؛ بنابراین هارمونیک‌ها را بیش از حد جذب می‌کنند. نتیجه باعث گرم‌شدن، ترکیدن، یا رزونانس سری/موازی و افزایش بیش از حد ولتاژ می­شود.
• کاهش ظرفیت مفید ترانس و ژنراتور

وقتی هارمونیک اینورتر بالاست، ترانس و ژنراتور بیشتر از حالت عادی گرم می‌شوند؛ چون تلفات مسی و آهنی‌شان با هارمونیک‌ها زیاد می‌شود. نتیجه‌اش این است که:

فرض کنید روی بدنه ترانس نوشته است 1000kVA، اما به‌خاطر هارمونیک بالا، اگر واقعاً 1000kVA از آن بار بکشیم، دمایش از حد مجاز بالاتر می‌رود و عمر عایق کم می‌شود. بنابراین در عمل مجبور می‌شویم فقط 700–800kVA از ان ترانس استفاده کنیم تا دمایش در محدوده مجاز باقی بماند.

• تداخل با تجهیزات حساس (EMI/EMC)
  هارمونیک اینورتر می‌تواند باعث نویز روی سیستم‌های اندازه‌گیری، PLC، HMI، شبکه‌های صنعتی و حتی رادیو و تجهیزات مخابراتی شود.

بنابراین کاهش هارمونیک فقط یک بحث تئوری نیست؛ مستقیماً روی عمر تجهیزات، پایداری تولید و… اثر می‌گذارد.

روش‌های اصلی کاهش هارمونیک اینورتر

در عمل، مهندس طراح معمولاً ترکیبی از چند راهکار را برای مدیریت هارمونیک اینورتر استفاده می‌کند. قبل از اینکه وارد بحث روش های کاهش هارمونیک بشویم باید یک نکته را ذکر کنیم: ( سلف (L) یک قانون ساده داره (V = L · di/dt) یعنی اگر بخواهی جریان را سریع عوض کنید (di/dt) بزرگ باشد، سلف ولتاژ زیادی تولید می‌کند و جلوی این تغییر سریع را می‌گیرد، نتیجه‌اش این است که سلف دوست دارد جریان از درونش آرام و پیوسته عبور کند و با تغییرات تند و ناگهانی جریان (همان پالس‌ها و هارمونیک‌های فرکانس بالا) مخالفت می‌کند.)

در ادامه این مقاله، پرکاربردترین روش‌ها را مرور می‌کنیم.

راکتور(Line Reactor) AC  و چوک  DC

ساده‌ترین و اقتصادی‌ترین روش‌ها، افزودن المان‌های سلفی است:

• راکتور AC در ورودی اینورتر
  با اضافه‌کردن یک سلف در مسیر ورودی، شکل موج جریان صاف‌تر می‌شود و هارمونیک‌های مرتبه پایین کاهش می‌یابند.

o        مزیت: قیمت نسبی مناسب، نصب ساده، کاهش THDi به‌طور محسوس.

o        عیب: ایجاد افت ولتاژ (معمولاً چند درصد)، افزایش اندک تلفات.

• چوک DC در لینک DC
  اضافه‌کردن یک سلف در مسیر لینک DC باعث یکنواخت‌تر شدن جریان دیودها و کاهش اعوجاج می‌شود.

o        مزیت: بهبود عملکرد کلی اینورتر، کاهش پیک جریان، حفاظت بهتر دیودها.

o        عیب: افزایش حجم و قیمت، لزوم درنظرگرفتن فضا در تابلو.

در بسیاری از درایوهای جدید، فیلتر هارمونیک درایو به‌صورت داخلی یا ماژول اضافی ارائه می‌شود.

دقت کنید که لینک DC با چوک DC متفاوت است برای درک این تفاوت مقاله چوک DC چیست را مطالعه کنید.

فیلتر هارمونیک پسیو (Passive Harmonic Filter)

در مواردی که تعداد اینورترها زیاد و ظرفیت آن‌ها بالا است، یک فیلتر هارمونیک پسیو اختصاصی در ورودی فیدر نصب می‌شود. این فیلتر معمولاً ترکیبی از:

• سلف (L)
• خازن (C)
• گاهی مقاومت (R)

به شکل L-C یا LCL تنظیم‌شده روی یک فرکانس هارمونیکی خاص (مثلاً مرتبه5 یا7) است.

• مزایا:

o        کاهش قابل‌توجه THDi (مثلاً از 35% به زیر 10%، بسته به طراحی).

o        راهکار نسبتاً پایدار و بدون نیاز به کنترل پیچیده.

• معایب:

o        امکان ایجاد رزونانس با شبکه و بانک خازنی اگر درست طراحی نشود.

o        ابعاد و وزن نسبتاً زیاد.

o        حساسیت به تغییرات بار و تعداد درایوهای متصل.

فیلتر هارمونیک اکتیو (Active Harmonic Filter)

در پروژه‌های حساس، از فلیتر هارمونیک ‌اکتیو استفاده می‌شود؛ تجهیزی که جریان هارمونیک را اندازه‌گیری و جریان جبرانی تزریق می‌کند تا شکل موج شبکه نزدیک به سینوسی شود.

• مزایا:

o        عملکرد دینامیکی عالی، تطبیق با تغییرات بار.

o        امکان جبران چند فیدر یا چند نوع بار غیرخطی با یک فیلتر.

o        کاهش THD در سطحی که به استانداردهای سخت‌گیرانه نزدیک شود.

• معایب:

o        قیمت بالا.

o        نیاز به کنترل و نگه‌داری پیچیده‌تر.

o        حساسیت بیشتر به شرایط محیطی و کیفیت نصب.

در واقع، فیلتر هارمونیک درایو در حالت اکتیو نوعی تجهیز هوشمند است که دقیقا بر اساس تحلیل هارمونیک لحظه‌ای، جریان تزریقی را تنظیم می‌کند.

اینورترهای 12pulse، 18pulse و AFE

در خرید اینورتر برای پروژه بزرگ و حساس، خود اینورتر می‌تواند به‌گونه‌ای طراحی شود که هارمونیک اینورتر ذاتاً کم باشد:

• یکسوساز 12pulse یا 18pulse با استفاده از دو یا سه ترانس شیفت‌فاز، هارمونیک‌های مرتبه پایین را تا حد زیادی حذف می‌کند.
• درایوهای AFE (Active Front End) در ورودی به‌جای دیود، از IGBT کنترل‌شده استفاده می‌کنند و جریان ورودی تقریباً سینوسی و با ضریب توان نزدیک1 می‌شود.

این روش‌ها:

• از نظر کیفیت توان عالی هستند،
• اما هزینه سرمایه‌گذاری اولیه و پیچیدگی فنی‌شان بالاتر است،
• و بیشتر در پروژه‌هایی مثل مترو، صنایع حساس، دیتاسنتر، بالابرهای بزرگ و… توجیه اقتصادی دارند.

نکاتی دیگر برای کاهش هارمونیک اینورتر

علاوه بر استفاده از فیلترها، چند نکته ساده در کاهش هارمونیک اینورتر مؤثر است:

• عدم استفاده از یک ترانس کوچک برای تعداد زیاد اینورتر
• پخش‌کردن درایوها روی چند فیدر در صورت امکان
• طراحی صحیح مسیر ارت و جداسازی کابل قدرت و فرمان برای کاهش نویز و تداخل.
• استفاده از کابل‌های شیلددار برای موتور، مخصوصاً در توان‌های بالا و طول کابل زیاد.

این موارد هارمونیک را صفر نمی‌کنند، ولی اثرات سوء آن را در سیستم واقعی کاهش می‌دهند.

مزایا و معایب روش‌های مختلف کاهش هارمونیک اینورتر

به‌صورت خلاصه، اگر بخواهیم راهکارها را مقایسه کنیم:

• راکتور AC / چوک DC

 مزایا: قیمت مناسب، نصب ساده، مناسب برای اکثر پروژه‌ها.

 معایب: کاهش متوسط هارمونیک، کافی‌نبودن برای پروژه‌های بسیار حساس.

• فیلتر هارمونیک پسیو

 مزایا: کاهش زیاد THD، تکنولوژی شناخته‌شده، بدون کنترل پیچیده.

 معایب: امکان رزونانس، حساسیت به تغییرات بار، ابعاد بزرگ‌تر.

• فیلتر هارمونیک اکتیو

 مزایا: عملکرد دینامیک عالی، انعطاف‌پذیر، قابل‌استفاده برای چند فیدر.

 معایب: قیمت زیاد، نیاز به تخصص بیشتر برای طراحی و نگه‌داری.

• درایوهای 12pulse / AFE

 مزایا: کاهش ذاتی هارمونیک اینورتر، ضریب توان خوب، مناسب پروژه‌های استراتژیک.

 معایب: هزینه اولیه بالا، نیاز به ترانس شیفت‌فاز.

انتخاب درست،  بستگی مستقیم به توان کل درایوها، ظرفیت ترانس، حساسیت شبکه و بودجه پروژه دارد.

نکات کلیدی و عملی برای مهندسان پروژه

برای این‌که بحث کاملاً کاربردی باشد، چند توصیه مستقیم:

1. از همان فاز طراحی پروژه، به فکر هارمونیک اینورتر باشید.
    اگر می‌دانید روی یک ترانس1000kVA قرار است10 عدد درایو75kW نصب شود، موضوع هارمونیک را از ابتدا وارد محاسبات خود کنید، نه بعد از بروز مشکل.
2. تا جای ممکن، از راکتور یا چوک استفاده کنید.
    حتی اگر پروژه کوچک است، یک راکتور AC در ورودی اینورتر یا استفاده از مدل‌هایی که چوک داخلی دارند، نسبت هزینه به فایده بسیار خوبی دارد.
3. در پروژه‌های بزرگ، تحلیل هارمونیک انجام دهید.
    برای تجمیع چندین درایو، بانک خازنی، UPS و بارهای غیرخطی دیگر، بهتر است تحلیل هارمونیک انجام شود تا درباره نوع فیلتر هارمونیک اینورتر تصمیم ما بر اساس عدد و رقم باشد، نه حدس و گمان.
4. بانک خازنی را بدون بررسی شرایط، کنار اینورتر قرار ندهید.
    در بسیاری از پروژه‌ها، مشکل اصلی برخورد هارمونیک اینورتر با بانک خازنی است؛ استفاده از فیلتر DE tuned یا راهکارهای جایگزین ممکن است ضروری باشد.
5. به استانداردها توجه کنید، اما در دام عددها نیوفتید.
    هدف نهایی، پایداری، ایمنی و عمر تجهیزات است. عدد THDi=28% یا22% به تنهایی چیز زیادی نمی‌گوید؛ باید ببینید این عدد در عمل چه اثری روی ترانس، کابل، خازن و تجهیزات دارد.

در آخر، هارمونیک اینورتر را جدی بگیرید.

هارمونیک اینورتر یک پدیده اجتناب‌ناپذیر است؛ هر جا درایو باشد، نوعی هارمونیک هم وجود دارد. اما این موضوع لزوماً ترسناک نیست. با شناخت منشاء هارمونیک، اهمیت آن و استفاده از روش‌های مناسب کاهش هارمونیک مثل راکتور، چوک، فیلتر هارمونیک پسیو یا اکتیو و درایوهای کم‌هارمونیک، می‌توان شبکه‌ای پایدار و قابل‌اعتمادی را طراحی کرد.

اگر در حال توسعه یک خط تولید جدید، اصلاح بانک خازنی موجود یا اضافه‌کردن چند درایو جدید روی یک فیدر قدیمی هستید، بهتر است هارمونیک اینورتر را از ابتدا در طراحی لحاظ کنید؛ هزینه پیش‌گیری معمولاً بسیار کمتر از هزینه عیب‌یابی بعد از تریپ‌های مکرر و سوختن تجهیزات است.