فهم التوافقيات في الأنظمة الكهربائية: الأسباب والآثار والمخاطر

التوافقيات ظاهرةٌ بالغة الأهمية، وإن كانت غالبًا ما تُغفل في الأنظمة الكهربائية. فهي تُمثل تشوهاتٍ في الشكل الموجي الجيبيّ المثاليّ للجهد أو التيار، وتحدث عند تردداتٍ تُمثّل مضاعفاتٍ صحيحةً لتردد الطاقة الأساسي (مثل 50 هرتز أو 60 هرتز). ورغم أن التوافقيات متأصلةٌ في أنظمة الطاقة الحديثة، إلا أن وجودها غير المُتحكّم فيه قد يُؤدي إلى عواقب تشغيلية ومالية وخيمة. تستكشف هذه المقالة أسبابها وآثارها ومخاطرها.

ما الذي يسبب التوافقيات؟

تنشأ التوافقيات في المقام الأول من الأحمال غير الخطية —أجهزة تسحب تيارًا غير متسق مع شكل موجة الجهد الجيبي. من الأمثلة الشائعة:

· محركات التردد المتغير (VFDs) في المحركات الصناعية.

· مصادر الطاقة ذات الوضع المتغير (على سبيل المثال، أجهزة الكمبيوتر، والخوادم، والإضاءة LED).

· محولات الطاقة المتجددة (أنظمة الطاقة الشمسية/طاقة الرياح).

· مصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS) وشواحن السيارات الكهربائية.

تُعطّل هذه الأحمال التدفق السلس للتيار، مما يُنتج أشكالًا موجية مشوهة. على سبيل المثال، قد يسحب مُحرّك التردد المتغير (VFD) التيار على شكل نبضات قصيرة بدلًا من موجة جيبية مستمرة، مما يُولّد توافقيات مثل الترتيب الثالث (150 هرتز)، أو الخامس (250 هرتز)، أو السابع (350 هرتز).

تأثير التوافقيات

تؤدي التوافقيات إلى تدهور جودة الطاقة وفرض تكاليف خفية على البنية التحتية الكهربائية:

1. خسائر الطاقة والتكاليف المرتفعة
تزيد التيارات التوافقية من خسائر المقاومة في الكابلات والمحولات والمحركات. على سبيل المثال، يمكن أن يسبب تيار توافقي خامس ما يصل إلى 15% من هدر الطاقة الإضافية في أنظمة التوزيع (دراسات وزارة الطاقة). هذا النقص في الكفاءة يُترجم إلى فواتير كهرباء متضخمة.

2. تلف المعدات وانخفاض عمرها الافتراضي

ا المحولات والمحركات :تُسبب التيارات التوافقية تيارات إيدي وخسائر هستيريسيس، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. قد يتعطل المحول الذي يعمل بتوافقيات عالية أسرع بنسبة 30-50% من المعدل المُقدر.

ا المكثفات :يمكن أن تتسبب التوافقيات في حدوث رنين، وزيادة تحميل المكثفات، مما يؤدي إلى حدوث انفجارات أو حرائق.

ا الموصلات المحايدة :في الأنظمة ثلاثية الطور، تتراكم التوافقيات الثلاثية (الثالثة، والتاسعة، وما إلى ذلك) في الخطوط المحايدة، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها.

3. الاضطرابات التشغيلية
تعتمد المعدات الحساسة، كالأجهزة الطبية، وأدوات المختبرات، وخوادم مراكز البيانات، على الطاقة النظيفة. قد تؤدي تشوهات الجهد الناتجة عن التوافقيات إلى أعطال، أو تلف البيانات، أو توقف غير متوقع.

4. مخاطر الامتثال والسلامة
تجاوز الحدود التوافقية التي تحددها معايير مثل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات 519-2022 قد يؤدي ذلك إلى غرامات تنظيمية. إضافةً إلى ذلك، يُشكل ارتفاع درجة حرارة المعدات خطر نشوب حرائق ومخاطر على السلامة.

استراتيجيات التخفيف

تتطلب معالجة التوافقيات إجراءً استباقيًا النهج:

· مرشحات التوافقيات السلبية : تم ضبطها لحجب الترددات التوافقية المحددة (على سبيل المثال، الخامس أو السابع)، وهي مثالية للأحمال المستقرة.

· مرشحات التوافقيات النشطة (AHFs) :حقن التيارات المعاكسة بشكل ديناميكي لتحييد التوافقيات، وهو مناسب للأحمال المتغيرة.

· تصميم النظام المناسب :زيادة حجم الموصلات المحايدة، واستخدام المحولات ذات التصنيف K، وفصل الأحمال غير الخطية.

اتصل بنا: sales@yt-electric.com