التناغم Harmonics
ما هو التناغم وما الذي يسببه؟
إن التناغم (الهارمونيك) هو تيارات أو جهود يكون ترددها مساوياً لحاصل ضرب عدد صحيح بالتردد الاسمي للشبكة والذي يكون عادة 50HZ أو 60HZ. على سبيل المثال إذا كان التردد الاسمي 50HZ يكون المدروج الثاني بتردد 2*50=100 HZ والمدروج الثالث بتردد 3*50=150 HZ وهكذا. وباستخدام المعدات الحديثة يمكن حالياً قياس التناغم والمدروجات حتى المدروج رقم 63.
عندما يسود التناغم في الشبكات الكهربائية فإن لوحات التوزيع الكهربائية وكذلك المحولات تصبح في حالة طنين ميكانيكي وذلك مع الحقول المغناطيسية التي تولدها المدروجات ذات التردد العالي. وعندما يحدث ذلك تبدأ لوحة التوزيع الكهربائية أو المحولة بالاهتزاز وتطلق صوت أزيز متناسب مع تردد كل مدروج، وتعتبر المدروجات من المدروج الثالث وحتى المدروج الخامس والعشرين من المدروجات الأكثر شيوعاً التي يتم قياسها داخل أنظمة التوزيع الكهربائي.
بالإضافة إلى ذلك، تنتج المدروجات أو تتولد بفعل استخدام الأجهزة الالكترونية الحديثة كالحواسيب الشخصية والمكتبية والطابعات الليزرية وأجهزة الفاكس وأنظمة الهاتف والراديو والتلفزيون وأجهزة قيادة المحركات (الانفرترات) وشواحن البطاريات ووحدات تزويد الاستطاعة غير القابلة للانقطاع (UPS) وأي جهاز الكتروني آخر يتم تزويده بوحدة تزويد استطاعة قابلة للفصل والوصل.
إن الأجهزة المذكورة أعلاه يشار إليها أيضاً بالأحمال غير الخطية، وهذا النوع من الأحمال غير الخطية يقوم بتوليد التناغمات أو المدروجات التي تأتي من منازلنا أو منشآتنا، والجدير بالذكر أن هذه الأجهزة وبالرغم من أنها تصدر المدروجات إلا أنها حساسة جداً تجاهها.
إن هذه الأجهزة و التي سنسميها (SMPS: Switch Mode Power Supply equipment) تشكل جزءً كبيرأً من الأحمال غير الخطية في معظم شبكات التوزيع الكهربائية. وبشكل أساسي هناك نوعان من الأحمال غير الخطية: الأحادية والثلاثية.
الأحمال غير الخطية أحادية الطور منتشرة بشكل كبير في المنازل و المكاتب، أما الثلاثية فهي منتشرة في المعامل والمنشآت الصناعية.
وحالياً تستخدم معظم أجهزة الكمبيوتر وحدات SMPS والتي تحول جهد الشبكة المتناوب إلى جهد منخفض مستمر لتغذية الالكترونيات الدقيقة الموجودة داخل الحاسوب. إن هذه الوحدات (الغير خطية) لتزويد الاستطاعة تقوم بتوليد تيار قيمة ذروته مرتفعة وبنبضات قصيرة وهذه النبضات تقوم بتشويه كبير في شكل موجة التيار والجهد (الموجة الجيبية).
وتسمى هذه العملية بالتشويه الكلي للهارمونيك ويتم قياسه كنسبة كلية مئوية (THD%) وهذا التشويه يعود إلى منبع الطاقة (يسري في الشبكة) ويمكن أن يؤثر على عناصر أخرى مرتبطة بنفس الشبكة.
إن هذا التأثير للتناغم يشبه إلى حد بعيد ما يحدث في نظام ضخ المياه في احد المنازل فإذا كان شخص ما يستعمل الماء البارد وقام شخص آخر من مكان آخر في المنزل بفتح صنبور المياه البارد فان الشخص الأول سيلحظ انخفاضا في ضغط الماء البارد المتدفق وبالتالي نقول أن عمل أحد الأنظمة تأثر بعمل نظام آخر في نفس الشبكة.
هذا المثال يشبه ما يحدث في نظام التوزيع الكهربائي الذي يحتوي على أحمال غير خطية تولد المدروجات حيث أن أجهزة SMPS سوف تسبب تشويه مستمر لمنبع الطاقة الذي يؤثر بدوره على معدات وأنظمة توزيع الطاقة في الشبكة.
ما هي المشاكل التي يسببها التناغم؟
في أنظمة وشبكات التوزيع الكهربائية يقوم التناغم بتوليد ما يلي:
تيارات كبيرة في الخط الحيادي بالنسبة للنظام ثلاثي الطور ونظريا يمكن أن يمر في هذا الخط مجموع التيارات التي تمر في الخطوط الثلاثة مجتمعة مما يسبب زيادة كبيرة في درجة حرارة الخطوط الحيادية. وعادة تكون الخطوط الثلاثة الأساسية محمية بشكل مناسب بواسطة القواطع والمنصهرات أما الخطوط الحيادية فلا تكون محمية بشكل مناسب مما يرفع إمكانية حدوث حرائق.
زيادة درجة حرارة محولات التغذية والذي يؤدي إلى إنقاص العمر الفني لها وتدميرها في نهاية المطاف، وعند حدوث أي عطل في هذه المحولات فان كلفة التوقف عن الإنتاج فقط تتخطى كلفة تغيير المحولة.
تشويه كبير في الجهد يتجاوز المواصفات القياسية IEEE 110-1992 “Recommended practice for powering and grounding sensitive electronic equipment” كما يتجاوز المواصفات الفنية للعديد من مصنعي الأجهزة الكهربائية.
تشويه عالي في التيار وتيارات كبيرة تمر في الدارات الفرعية بما يتجاوز المواصفات القياسية IEEE 110-1992 والمواصفات الفنية للعديد من مصنعي الأجهزة الكهربائية.
فرق جهد مرتفع بين الخطين الحيادي والأرضي وعادة ما يكون اكبر من 2 V بما يتجاوز المواصفات القياسية IEEE 110-1992.
انخفاض عامل الاستطاعة مما يؤدي إلى استجرار اكبر للاستطاعة الردية وغرامات مفروضة من شركة تزويد الطاقة الكهربائية.
طنين يؤدي إلى توليد نبضات تيار عالية مما يؤدي إلى تدمير المكثفات والمنصهرات التي تحميها كما يؤدي الى تدمير أجهزة الحماية من النبضات مما يؤدي إلى شلل عام في النظام.
فصل غير مبرر للقواطع في الدارات الفرعية.
كيف يؤثر التناغم على المنشأة؟
إن النقاط السابقة توضح المشاكل التي تؤثر مباشرة على نظام التوزيع الكهربائي إلا أن هذه المشاكل تؤثر على المباني والمنشآت والأماكن الصناعية بطرق مختلفة وبشكل غير مباشر ويمكن إيجاز ذلك في النقاط التالية:
إن التشويه والانخفاض في الجهد سيؤثر على المعدات الموصولة بالدارات الفرعية والتي ستستجر تيار اكبر للمحافظة على معدل الاستطاعة الاسمي الخاص بها (واط) وكلما كان استجرار التيار اكبر كلما زادت درجة حرارة هذه المعدات والتي لم تكن مهيئة عند تصنيعها لهذا الارتفاع في درجة الحرارة. وبدورها فان الحرارة الزائدة تسبب أعطال لبعض مكونات هذه المعدات. بالإضافة إلى ذلك، سوف تحدث عمليات جمود للحواسيب وأعطال تشغيلية أخرى غير مبررة وهذه المشاكل مؤرقة جدا بحد ذاتها حيث لا يمكننا اكتشاف العطل والسبب الحقيقي وراء هذه الأعطال. وبشكل عام فان الحرارة الناجمة عن المعدات التي تتعرض للتناغم بشكل عام سوف تسبب العديد من المشاكل بدءا بالتهوية التي ستصبح ضرورية في هذه الحالة والتي ستحتاج إلى تكلفة إضافية خصوصا في أماكن الإنتاج التي تلعب فيها درجة حرارة الوسط المحيط دورا حاسما في عملية الانتاج، وانتهاء بالأعطال غير المبررة التي يستغرق الكشف عنها أياما دون جدوى.
في المنشآت التي تحمل طابعا خاصا كمراكز الاتصالات ونقل المعلومات فان الحرارة الزائدة الناتجة عن العدد الكبير من للشاشات المختلفة وشاشات الحواسيب سوف تفرض تكلفة مرتفعة واستجرار إضافي للطاقة وذلك من اجل نظام التهوية والتكييف (يسبب التناغم ارتفاع في درجة حرارة الشاشات أيضا).
عادة ما تكون كبلات الاتصالات ملاصقة لكبلات الطاقة، وعند ارتفاع التشويه الكلي للتناغم فوق حد معين (أكثر من 5% THD) كما هو مبين في المواصفات القياسية IEEE 110-1992 فان التناغم يتم نقله إلى (تحريضه في) خطوط الهاتف وكبلات المعلومات والنتيجة هي خطوط هاتف غير نقية وفقدان غير مبرر للمعلومات في الشبكات السلكية واللاسلكية.