هنگامی‎‎ که استفاده از مبدل‎ های الکترونیک قدرت در اواخر دهه ۱۹۷۰ معمول گردید، توجه بسیاری از مهندسین شرکت ‎های برق درمورد توانایی پذیرش اعوجاج هارمونیکی توسط سیستم ‎های قدرت را برانگیخت. پیش‎‎بینی‎ های مأیوس‎‎ کننده‎‎ای از سرنوشت سیستم ‎‎های قدرت درصورت اجازه استفاده ازاین تجهیزات انجام گرفت. درحالی‎‎که بعضی ازاین نگرانی‎ ها احتمالاً بیش از حد قلمداد گردیدند، ولی بررسی مفهوم کیفیت برق مدیون این افراد به‎ دلیل پیگیری آن ها درمورد این مسئله می باشد.
بروز هارمونیک در سیستم ‎های برق اولین پیامد عناصر غیرخطی در شبکه است. به‎‎‎ خاطر گسترش فزاینده استفاده از عناصر غیرخطی در سیستم‎‎ های برق، مانند راه ‎‎اندازها (درایورهای تنظیم سرعت) و مبدل‎‎ های الکترونیکی قدرت، مقدار هارمونیک شکل موج جریان و ولتاژ به‎‎‎ طور چشمگیری افزایش یافته است و بنابراین اهمیت موضوع کاملاً مشخص است.
بررسی مسائل هارمونیک‎‎ ها منجر به تحقیقاتی گردید که نتایج آن نقطه‎‎ نظرات متعددی درمورد کیفیت برق بود. به ‎‎نظر برخی از محققین، اعوجاج هارمونیکی هنوز مهمترین مسئلـه کیفیت برق می‎‎ باشد. مسائل هارمونیکی با بسیاری از قوانین معمولی طراحی سیستم‎ های قدرت و عملکرد آن تحت فرکانس اصلی مغایر است. بنابراین مهندس برق با پدیده‎‎ های ناآشنایی روبرو می‎‎ شود که نیاز به ابزار پیچیده و تجهیزات پیشرفته برای حل مشکلات و تجزیه و تحلیل آن ها دارد. گرچه تحلیل مسائل هارمونیکی می‎‎تواند دشوار باشد، ولی خوشبختانه همه سیستم قدرت دارای مشکل هارمونیکی نیست و فقط درصد کمی از فیدرهای مربوط به سیستم‎ های توزیع تحت‎‎ تأثیر عوامل ناشی از هارمونیک‎‎ ها قرار می‎‎ گیرند. مشترکین برق در صورت وجود هارمونیک ‎ها مشکلات زیادتری از شرکت‎ های برق را تحمل می‎ کنند. مشترکین صنعتی که از محرکه‎‎ های موتور با قابلیت تنظیم سرعت، کوره‎‎ های قوس الکتریکی، کوره ‎‎های القایی، یکسوکننده‎‎ ها، اینورترها، دستگاه ‎‎های جوش و نظایر آن استفاده می‎‎ کنند، نسبت به مسائل ناشی از اعوجاج هارمونیکی ضربه ‎‎پذیرتر از بقیة مشترکین می‎ باشند.
اعوجاج هارمونیکی یک پدیده جدید در سیستم‎ های قدرت به شمار نمی‎ رود. نگرانی ناشی از اعوجاج در بسیاری از دوره‎ ها درسیستم ‎های قدرت الکتریکی جریان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوی منابع و مطالب تکنیکی دهه‎ های قبل نشان می ‎دهد که مقالات مختلفی دررابطه با این موضوع انتشار یافته است. اولین منابع هارمونیکی شناخته ‎‎شده، ترانسفورماتورها بودند و اولین مشکل نیز در سیستم‎ های تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپ‎ های قوس الکتریک به ‎‎‎دلیل مؤلفه‎ های هارمونیکی توجهات خاصی را برانگیخت ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدل ‎های الکترونیک قدرت در سال‎ های اخیر نبوده است.
خوشبختانه در طی این سال ها پژوهشگران متوجه شده اند که اگر سیستم انتقال به نحو مناسبی طراحی گردد، به ‎‎نحوی که بتواند مقدار توان مورد نیاز بارها را به راحتی تأمین نماید، احتمال ایجاد مشکل ناشی از هارمونیک ‎ها برای سیستم قدرت بسیار کم خواهدبود، گرچه این هارمونیک ‎ها می‎ توانند موجب مسائلی در سیستم ‎های مخابراتی شوند. اغلب در سیستم‎ های قدرت مشکلات زمانی بروز می‎ کنند که خازن‎ های موجود در سیستم باعث ایجاد تشدید دریک فرکانس هارمونیکی گردند. دراین شرایط اغتشاشات و اعوجاجات، بسیار بیش از مقادیر معمول می ‎گردند. امکان ایجاد این مشکلات در مورد مراکز کوچک مصرف وجود دارد ولی شرایط بدتر در سیستم‎ های صنعتی به‎ دلیل درجه زیادی از تشدید رخ می‎ دهد.

علت ایجاد اعوجاج هارمونیکی

اعوجاج هارمونیکی در سیستم ‎های قدرت ناشی از عناصر غیرخطی می‎ باشد. عنصر غیرخطی عنصری است که جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نمی‎باشد افزایش چند درصدی ولتاژ ممکن است باعث شود که جریان دوبرابر شده و نیز موج جریان شکل دیگری به خود بگیرد. این مورد ساده ای از منبع تولید اعوجاج در سیستم قدرت می‎باشد.

هر شکل موج اعوجاجی پریودیک را می‎توان به صورت جمع موج‎ های سینوسی بیان نمود. یعنی وقتی که شکل موج از یک سیکل به سیکل دیگر تغییر نکند، این موج را می‎توان به صورت جمع امواج سینوسی خالص که درآن فرکانس هر موج سینوسی، مضرب صحیحی از فرکانس اصلی موج اعوجاجی است نمایش داد. این موج‎های سینوسی که فرکانس آن‎ ها ضریب صحیحی از فرکانس اصلی می‎ باشند، هارمونیک ‎های مؤلفه اصلی گویند. جمع این موج‎ های سینوسی به سری فوریه معروف است این مفهوم ریاضی اولین بار توسط فوریه ریاضیدان فرانسوی مورد توجه قرار گرفت.
مزایای فنی و اقتصادی کاهش هارمونیک ‎‎ها
اگرچه بحث تفصیلی درمورد خسارات هارمونیک‎‎ ها، پیچیده است ولی می‎توان در یک جمع‎‎ بندی اجمالی مزایای کاهش هارمونیک ‎‎ها را به ‎شرح زیر بیان نمود:

1. کاهش تلفات تجهیزات الکتریکی و شبکه برق‎‎رسانی
2. آزادسازی ظرفیت تجهیزات شبکه مانند موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها
3. افزایش طول عمر تجهیزات به ‎دلیل کاهش تلفات و کاهش درجه حرارت
4. کاهش احتمال رزونانس موازی و سری در شبکه
5. افزایش راندمان موتورهای الکتریکی
6. کاهش خطای عملکرد رله‎‎ ها ، تجهیزات کنترلی و حفاطتی شبکه ناشی از تأثیرات هارمونیک‎‎ها
7. کاهش خطای قرائت دستگاه‎‎ های اندازه‎گیری و کنتورها و در نتیجه کاهش خطای مبالغ دریافتی از مشترکین
8. عملکرد بهتر تجهیزات شبکه و مشترکین از جمله ماشین‎‎ های الکتریکی به‎ دلیل کاهش اثر گشتاورهای مخالف به ‎واسطه برخی از هارمونیک ‎‎ها
9. بهبود رضایت مشترکین به ‎دلیل بهبود کیفیت توان

تجهیزات آسیب‎‎ پذیر

موتورهای الکتریکی ازجمله وسایلی هستند که درمعرض بیشترین اثر نامطلوب هارمونیک ‎ها قراردارند، هارمونیک حاصل‎‎ از ولتاژ تغذیه باعث تلفات بالاتر در موتورهای الکتریکی شده که باعث کاهش ظرفیت‎ نامی می ‎‎شود. کاهش عمر و فرسوده شدن عایق‎‎بندی موتور به‎‎‎ خاطر افزایش دمای داخلی بالاتراز میزان نامی، از دیگر اثرات نامطلوب هارمونیک‎ ها در موتورهای الکتریکی است.
سیستم عایق‎‎ بندی آسیب ‎‎پذیرترین قسمت یک موتور الکتریکی درمقابل افزایش دمای حاصل‎‎ از هارمونیک است. تسریع در‎ فرسایش، خطا و مشکلات عایقی و کاهش عمر معمول‎‎ترین نشانه‎‎ های مشاهده شده در سیستم ‎های عایقیِ درمعرض اضافه حرارت، می‎‎ باشد.

منابع تولید هارمونیک

پیدایش عناصر نیمه هادی و المان‎‎ های غیرخطی نظیر دیود ، تریستور و … و استفادة فراوان از آن ها در شبکه‎‎ های قدرت عامل جدیدی برای ایجاد هارمونیک در سیستم‎ های قدرت به ‎وجود آورد. کاربرد این عناصر را می‎ توان در تجهیزات و سیستم‎ های قدرت زیر دید:

• کوره ‎های قوس الکتریکی و القایی
• یکسوکننده‎‎ ها و مبدل‎‎ های الکترونیک قدرت
• تجهیزات مورد استفاده در کنترل‎‎ کننده‎ های سرعت ماشین‎ های الکتریکی ( VSD)
• کاربرد SVC بعنوان ابزار مهمی درکنترل توان راکتیو
• بارهای غیرخطی شامل دستگاه‎‎ های جوشکاری
• جریان مغناطیسی ترانسفورماتور
• از سوی دیگر عوامل زیر را نیز می‎توان به عنوان تولیدکنندة هارمونیک در نظر گرفت:
• تولید شکل موج غیر سینوسی توسط ماشین‎ های سنکرون ناشی از وجود شیارها و عدم توزیع یکنواخت سیم ‎‎پیچی‎ های استاتور
• توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی در ماشین‎های سنکرون
• همچنین صنایع زیر را می‎توان از جمله عوامل تولید هارمونیک در شبکه ‎های الکتریکی محسوب نمود:
• صنایع شامل مجتمع‎ های شیمیایی و پتروشیمی و نیز صنایع ذوب آلومینیم که از یکسوکننده ‎های پرقدرت برای تولید برق DC مورد نیـاز انجام فرآیندهای شیمیـائی و ذوب آلومینیـم استفـاده می‎ کنند. با توجـه به قـدرت بالا، این یکسـوکننده‎ ها هارمونیک قابل ملاحظه ‎ای در شبکة قدرت به وجود می‎آورند.
• استفاده از سیستم‎ های الکترونیک قدرت در سیستم حمل و نقل برقی مانند اتوبوس برقی و متروها باعث می ‎شود سطوح زیادی از هارمونیک به سیستم توزیع تزریق شود.
• بارهای غیرخطی مانند کوره‎ های قوس الکتریکی که در صنایع ذوب‎‎ آهن استفاده می‎شود از عوامل تولید هارمونیک در مقیاس بزرگ می‎باشند.