هارمونیک‌ها؛ تهدید پنهان سیستم‌های برقی در سردخانه‌های صنعتی

بررسی تخصصی اعوجاج امواج الکتریکی و اثرات مخرب آن بر تجهیزات و کمپرسورها

هارمونیک‌ چیست؟

سردخانه های صنعتی مدرن برای حفظ زنجیره سرما و کاهش مصرف انرژی، به طور قابل ملاحظه ای  به تجهیزات اتوماسیون، سیستم های کنترلی و درایوهای کنترل دور موتور وابسته هستند. با این حال، ورود این فناوری‌ها چالش‌هایی از قبیل هارمونیک‌های الکتریکی ( Electrical Harmonics) را به شبکه برق کارخانه ها تحمیل کرده است. هارمونیک ها نوعی آلودگی ناشی از کلیدزنی فرکانس بالا محسوب می شوند که راندمان سیستم را  به شدت کاهش داده و خسارات سنگینی به بار می آورند.

در یک شبکه برق ایده‌آل، شکل موج ولتاژ و جریان به صورت یک موج سینوسی کامل با فرکانس پایه (50 هرتز) است. اما تجهیزات مدرن که به عنوان بارهای غیرخطی شناخته می شوند، جریان را به صورت پالس های ناگهانی، ضربه‌ای و تکه تکه دریافت می کنند. این اقدام باعث اعوجاج و تغییر شکل موج اصلی می شود. هارمونیک‌ها فرکانس‌هایی با مضربی از فرکانس اصلی هستند ( مثلا هارمونیک پنجم در شبکه 50 هرتز، فرکانسی برابر 250 هرتز دارد) که روی  موج اصلی سوار شده و آن را دفرمه می کنند.

اثرات مخرب هارمونیک‌ها بر سردخانه‌های صنعتی

سردخانه های صنعتی به دلیل نوع بار برقی خود شامل کمپرسورهای گران قیمت برودتی، فن‌های اواپراتور و کندانسور، ساختاری کاملا حساس دارند. در ادامه اثرات تخصصی هارمونیک ها بر بخش های مختلف پایش شده است:

1. تاثیرات هارمونیک‌ها بر الکتروموتور کمپرسورها:

الکتروموتورهای جریان متناوب (AC) که وظیفه به حرکت درآوردن پیستون‌ها یا اسکروهای کمپرسور برودتی را دارند، دقیقا برای کار با موج سینوسی کامل طراحی شده اند. ورود امواج فرکانس بالا آسیب های ساختاری شدیدی به این تجهیزات وارد می کند:

• تشدید تلفات فوکو و هیسترزیس:

تلفات جریان گردابی (فوکو) در هسته آهنی استاتور موتور با مجذور فرکانس (f²) رابطه مستقیم دارد. این یعنی حضور هارمونیک مرتبه 5 (250 هرتز)، تلفاتی معادل 25 برابر فرکانس پایه را در هسته به گرما تبدیل می‌کند! این افزایش دما عایق سیم‌پیچ‌ها را خشک و شکننده کرده و منجر به اتصال کوتاه و سوختن موتور کمپرسور می‌شود.

• گشتاورهای مخرب معکوس و ضربه ای:

  هر هارمونیک دارای یک مولفه توالی فاز است. برای مثال، هارمونیک پنجم دارای توالی منفی است، یعنی میدان مغناطیسی ایجاد می کند که تمایل دارد موتور را در جهت عکس چرخش اصلی بچرخاند. این تداخل باعث ایجاد ضربات گشتاور (Torque Pulsations) و نوسانات شدید مکانیکی روی شفت می شود که نتیجتا بلبرینگ ها را خرد کرده و کوپلینگ مکانیکی بین موتور و کمپرسور را از بین می برد.

• پدیده جریان‌های بلبرینگ ( Bearing Currents):

  هارمونیک های مرتبه بالا از طریق خازن های پراکنده داخلی الکتروموتور، ولتاژ شفت را بالا می برند. تخلیه این ولتاژ از طریق بلبرینگ ها به بدنه باعث ایجاد جرقه در روانکار (گریس)، پدیده پیتینگ (Pitting) و فرسایش شدید ساچمه های بلبرینگ کمپرسور می گردد.

2. اختلال در عملکرد و کاهش عمر اینورترها (VFD) و سافت استارترها:

امروزه در اکثر سردخانه ها برای تنظیم دقیق دما و دبی مبرد از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) استفاده می شود که خود عامل اصلی تولید هارمونیک هستند. اما این هارمونیک ها به خود درایو نیز آسیب جدی می‌زنند. هارمونیک‌های بازگشتی بر روی خازن‌های لینک DC درایو اثر گذاشته و با افزایش جریان ریپل (Ripple Current) دمای داخلی خازن‌های الکترولیتی VFD را بالا برده و عمر مفید درایو را به کمتر از نصف کاهش می دهند.

3. پدیده رزونانس در بانک های خازنی:

امپدانس خازن با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد. در نتیجه، خازن‌های اصلاح ضریب توان در برابر جریان‌های فرکانس بالای هارمونیکی مانند یک مسیر با مقاومت ناچیز عمل کرده و این جریان‌ها را به سمت خود جذب می‌کند. در صورت هم راستایی فرکانس هارمونیک با فرکانس طبیعی شبکه، پدیده رزونانس موازی (Parallel resonance) رخ می دهد که جریان را تا چند برابر حد مجاز تقویت کرده و منجر به انفجار خازن‌ها می‌شود.

4. اثر پوستی در کابل‌ها و بار بیش از حد سیم نول:

در فرکانس‌های بالا، جریان تمایل دارد به جای عبور از عمق هادی، از سطح خارجی کابل عبور کند (Skin Effect). این پدیده مقاومت موثر کابل های تغذیه اصلی الکتروموتور کمپرسورها را بالا برده و ایجاد حرارت شدید می کند. از سوی دیگر، هارمونیک‌های مرتبه سه و مضارب آن (Trippen Harmonics شامل 15،9،3،…) در سیم نول با هم جمع شده و جریان نول را به بیش از 1.5 برابر جریان فاز می رسانند که ریسک آتش سوزی کابل را در پی دارد.

شکل ۲: آنالیز طیف فرکانسی (FFT) هارمونیک‌های شایع ناشی از کلیدزنی تجهیزات برودتی صنعتی

برای محافظت از دارایی‌های گران قیمت یک سردخانه صنعتی (مانند کمپرسورهای آمونیاکی یا فریونی بزرگ و درایو های توان بالا)، استفاده از سیستم های اصلاح کیفیت توان راه حل مناسبی است:

نتیجه گیری مدیریتی و فنی:

عدم توجه به مهار هارمونیک ها در سردخانه های صنعتی یعنی پذیرش هزینه های پنهان قبوض برق، خرابی های مکرر کمپرسورها و توقف های ناگهانی سیکل تبرید که می تواند منجر به خسارات به محصولات درون سردخانه شود. پایش مداوم شاخص THD تضمین کننده پایداری زنجیره سرما است.