حول التوافقيات ومعالجتها

Thread Content

١. ما هي الترددات المتناغمة؟ السبب الجوهري لتكوّن التوافقيات في نظام الطاقة هو وجود أحمال غير خطية. عندما يمر التيار عبر الحمل، فإنه لا يكون في علاقة خطية مع الجهد المطبق، وهو ما يؤدي إلى تكوين تيار غير جيبي، وبالتالي توليد ترددات توافقية. تكون ترددات الهارمونيكات أضعافًا صحيحة لتردد الموجة الأساسية، وقد أثبت مبدأ التحليل الخاص بالعالم الفرنسي موريس فورييه أن أي شكل موجي متكرر يمكن تحليله إلى مكونات من موجات جيبية تحتوي على تردد الموجة الأساسية بالإضافة إلى سلسلة من الهارمونيكات التي تكون أضعافًا لتردد الموجة الأساسية. الترددات التوافقية هي موجات جيبية، ولكل تردد توافقي تردد وشدة وزاوية طور مختلفة. يمكن تصنيف الترددات التوافقية إلى ترددات زوجية وترددات فردية؛ حيث يُعتبر التردد رقم 3 و5 و7 من الترددات الفردية، بينما يُعتبر التردد رقم 2 و4 و6 و8 من الترددات الزوجية. على سبيل المثال، إذا كان التردد الأساسي 50 هرتز، فإن التردد الثاني سيكون 100 هرتز، والتردد الثالث سيكون 150 هرتز. بشكل عام، فإن الأضرار الناجمة عن التوافقيات ذات الأرقام الفردية أكبر وأشد من تلك الناجمة عن التوافقيات ذات الأرقام الزوجية. في النظام ثلاثي الأطوار المتوازن، وبسبب العلاقة التماثلية، يتم إلغاء التوافقيات ذات الأرقام الزوجية، ولا يبقى سوى التوافقيات ذات الأرقام الفردية. بالنسبة للأحمال ذات التيار المتردد ثلاثي الأطوار، فإن التيارات التوافقية التي تظهر هي التوافقيات من النوع 6n±1، مثل 5 و7 و11 و13 و17 و19 وغيرها. أما المحولات فهي تولد بشكل رئيسي التوافقيات من النوع 5 و7. “مصطلح "التوافقيات" مشتق من علم الصوتيات. لقد تم وضع أسس متينة للتحليل الرياضي للتوافقيات في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. لا تزال طريقة التحليل التوافقي التي اقترحها فورييه وآخرون تُستخدم على نطاق واسع حتى اليوم. لقد لفتت مشكلة التوافقيات في أنظمة الطاقة انتباه الناس منذ عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين. في ذلك الوقت في ألمانيا، تسبب استخدام محولات القوس الزئبقي الثابت في تشوه شكل الموجات الكهربائية والتيار. الورقة البحثية التي نشرها ج.س. ريد في عام 1945 حول ترددات التوافق في المحولات، تعتبر من الأوراق البحثية الكلاسيكية المبكرة في مجال دراسة الترددات التوافقية. في الخمسينيات والستينيات، وبفضل تطور تقنيات نقل الطاقة المستمرة عالية الجهد، تم نشر العديد من الأبحاث حول مشاكل التوافقيات في أنظمة الطاقة الناتجة عن استخدام المحولات. منذ سبعينيات القرن الماضي، وبفضل التطور السريع في تكنولوجيا الإلكترونيات الكهربائية، أصبح استخدام مختلف الأجهزة الإلكترونية الكهربائية في أنظمة الطاقة والصناعة والنقل والمنازل أكثر انتشارًا، كما أصبحت الآثار السلبية الناتجة عن الترددات المتشوهة أكثر خطورة. تولي جميع دول العالم اهتمامًا كبيرًا بمشكلة التوافقيات. عُقدت العديد من المؤتمرات الأكاديمية الدولية حول مشكلة التوافقيات، وقد وضعت العديد من المنظمات الأكاديمية الدولية معايير وقواعد للحد من التوافقيات في أنظمة الطاقة والأجهزة الكهربائية. أهمية دراسة التوافقيات تكمن في الجانب الأخلاقي، وذلك لأن أضرار التوافقيات خطيرة للغاية. تؤدي الترددات المتناغمة إلى انخفاض كفاءة إنتاج الطاقة الكهربائية ونقلها واستخدامها، كما تسبب ارتفاع درجة حرارة المعدات الكهربائية وظهور الاهتزازات والضوضاء، بالإضافة إلى تلف العزل، مما يقلل من عمرها الافتراضي، وقد يؤدي ذلك إلى حدوث أعطال أو حتى احتراق المعدات. يمكن للترددات التوافقية أن تسبب رنينًا متوازيًا أو متسلسلًا محليًا في نظام الطاقة، مما يؤدي إلى زيادة كمية الترددات التوافقية ويتسبب في تدمير أجهزة مثل المكثفات. كما يمكن للترددات التوافقية أن تتسبب في أعطال غير متوقعة في أجهزة الحماية والأجهزة الأوتوماتيكية، مما يؤدي إلى اضطرابات في قياس كمية الطاقة الكهربائية. خارج نظام الطاقة، تسبب التوافقيات تداخلًا خطيرًا في أجهزة الاتصالات والأجهزة الإلكترونية. ٢. للتخفيف من تأثير الترددات المتوافقة، ولحل مشكلة التلوث الناتج عن هذه الترددات في أجهزة الإلكترونيات الكهربائية ومصادر الترددات المتوافقة الأخرى، هناك فكرتان أساسيتان: الأولى هي استخدام أجهزة تعويض الترددات المتوافقة لتعويض هذه الترددات، وهذه الطريقة صالحة لجميع مصادر الترددات المتوافقة ； الخيار الآخر هو تعديل أجهزة الإلكترونيات الكهربائية نفسها، بحيث لا تنتج ترددات مزعجة، كما يمكن التحكم في معامل القدرة على قيمة 1. وبالطبع، ينطبق ذلك فقط على الأجهزة الإلكترونية الكهربائية التي تُعتبر مصدرًا رئيسيًا للترددات المزعجة. الطريقة التقليدية لتركيب أجهزة تعويض التوافقيات هي استخدام مرشحات التوافق من نوع LC. يمكن لهذه الطريقة تعويض التوافقيات وكذلك القدرة غير الفعالة، كما أن بنيتها بسيطة، ولذلك فهي تُستخدم على نطاق واسع. العيب الرئيسي لهذه الطريقة هو أن خصائص التعويض تتأثر بمقاومة شبكة التوزيع وحالة التشغيل، مما يؤدي إلى حدوث رنين متوازي مع النظام، وبالتالي تضخم الترددات المتوافقة، مما يسبب تحميل فائق لمرشح LC أو حتى تدميره. بالإضافة إلى ذلك، فهو يستطيع تعويض التوافقيات ذات التردد الثابت فقط، ولا يكون تأثير التعويض مثاليًا. ٣. التعويض عن القدرة غير المفيدة: من السهل جداً فهم مفهوم القدرة المفيدة، لكن فهم مفهوم القدرة غير المفيدة ليس بالأمر السهل. في الدوائر الجيبية، يكون مفهوم القوة غير الفعالة واضحًا، أما في الدوائر التي تحتوي على ترددات هارمونية، فلا يوجد حتى الآن تعريف متفق عليه للقوة غير الفعالة. لكن، هناك إجماع على أهمية مفهوم القدرة غير المفيدة، وعلى أهمية تعويض القدرة غير المفيدة. يجب أن يشمل تعويض القدرة غير المفيدة تعويض القدرة غير المفيدة للتردد الأساسي وكذلك تعويض القدرة غير المفيدة الناتجة عن الترددات المتوافقة. القدرة غير الفعالة مهمة جدًا لعمل أنظمة التغذية بالطاقة والأحمال. مقاومة مكونات شبكة نظام الطاقة هي في الأساس مقاومة حثية. لذلك، بشكل عام، من أجل نقل الطاقة الفعالة، يجب أن يكون هناك فرق في الطور بين جهد المصدر وجهد المستقبل، ويمكن تحقيق ذلك في نطاق واسع للغاية ； أما من أجل نقل الطاقة غير المفيدة، فيلزم وجود فرق في الجهد بين الطرفين، وهو أمر يمكن تحقيقه فقط في نطاق ضيق جدًا. ليس فقط معظم عناصر الشبكة تستهلك الطاقة غير الفعالة، بل إن معظم الأحمال أيضًا تحتاج إلى استهلاك هذه الطاقة. يجب الحصول على القدرة غير الفعالة اللازمة للمكونات الشبكية والأحمال من مكان ما داخل الشبكة. من الواضح أنه من غير المعقول، وغالبًا ما يكون من المستحيل، أن تتم تغطية كل هذه الطاقة غير المفيدة بواسطة المولدات ونقلها على مسافات طويلة. الطريقة المناسبة هي توليد القوة غير الفعالة في الأماكن التي يكون هناك حاجة إليها، وهذا ما يُسمى بتعويض القوة غير الفعالة. تتمثل الوظائف الرئيسية لتعويض القدرة غير المفيدة فيما يلي: (1) تحسين معامل القدرة في أنظمة التغذية بالطاقة والأحمال، وتقليل سعة المعدات، وخفض فقدان الطاقة. (2) تحقيق استقرار جهد نقاط استقبال الطاقة وشبكة التوزيع، وتحسين جودة التغذية بالطاقة. كما يمكن لتركيب أجهزة تعويض القدرة الفعالة في المواقع المناسبة ضمن خطوط نقل الطاقة على مسافات طويلة أن يحسّن من استقرار نظام نقل الطاقة ويزيد من قدرته على نقل الطاقة. (3) في الحالات التي يكون فيها عبء الطور الثلاثي غير متوازن، مثل السكك الحديدية المزودة بالطاقة الكهربائية، يمكن تحقيق التوازن بين الأحمال الفعالة وغير الفعالة للأطوار الثلاثة من خلال استخدام تقنيات مناسبة للتعامل مع الأحمال غير الفعالة.