مفهوم المركبات التوافقية وتردداتها الأساسية
 

في دائرة التيار المتردد، تتصرف المقاومة (يكون سلوكها) بنفس الطريقة تماماً كما تفعل في دائرة التيار المستمر، أي أن التيار المتدفق عبر المقاومة يتناسب مع الجهد المار من خلاله، هذا لأن المقاوم هو جهاز خطي، وإذا كان الجهد المطبق عليه عبارة عن موجة جيبيه، فإن التيار المتدفق عبره يكون أيضاً موجة جيبيه، لذا فإن فرق الطور بين الأمواج الجيبيه يساوي صفراً.
 

بشكل عام، عند التعامل مع الفولتية والتيارات المتناوبة في الدوائر الكهربائية، يُفترض أنها نقية الشكل وجيبية، مما يعني أن لها قيمة تردد واحدة فقط، يسمى “التردد الأساسي”، ولكن هذا ليس هو الحال دائماً.
 

في الجهاز أو الدائرة الكهربائية أو إلإلكترونية حتى هناك خاصية جهد وخاصية تيار غير خطية، أي أن التيار المتدفق خلالها لا يتناسب مع الجهد المطبق، حيث ستكون أشكال الموجة المتناوبة المرتبطة بالجهاز مختلفة إلى حد أكبر أو أقل عن تلك الخاصية بالشكل الموجي الجيبي المثالي، كما أنه يشار إلى هذه الأنواع من أشكال الموجة بشكل عام على أنها أشكال موجية غير جيبية أو أمواج معقدة.
 

يتم إنشاء الأشكال الموجية المعقدة بواسطة الأجهزة الكهربائية الشائعة مثل: المحاثات ذات القلب الحديدي والمحولات والكوابح الإلكترونية في مصابيح الفلورسنت، وغيرها من الأحمال الحثية الشديدة، بالإضافة إلى الجهد الناتج وأشكال الموجة الحالية لمولدات التيار المتردد والمولدات وغيرها من الآلات الكهربائية، والنتيجة هي أن شكل الموجة الحالي قد لا يكون جيبياً على الرغم من أن شكل موجة الجهد كذلك.
 

أيضًا معظم دوائر تبديل مصدر الطاقة الإلكترونية مثل المقومات ومعدلات التحكم بالسيليكون (SCR) والترانزستورات لخاصة بالطاقة ومحولات الطاقة وغيرها من مفاتيح الحالة الصلبة، التي تقطع شكل الموجة الجيبية للتحكم في طاقة المحرك، أو لتحويل مصدر التيار المتردد الجيبي إلى التيار المباشر، حيث تميل دوائر التبديل هذه إلى سحب التيار فقط عند القيم القصوى، لإمداد التيار المتردد وبما أن شكل موجة تيار التبديل غير جيبي، يُقال إن تيار الحمل الناتج يحتوي على توافقيات.
 

يتم إنشاء الأشكال الموجية المعقدة “غير الجيبية” عن طريق إضافة سلسلة من ترددات الموجة الجيبيه المعروفة باسم “التوافقية”، التوافقيات هي المصطلح المعمم المستخدم لوصف تشوه شكل موجة جيبية بواسطة أشكال موجة ذات ترددات مختلفة، ثم مهما كان شكله، يمكن تقسيم شكل موجة معقد رياضياً إلى مكونات فردية تسمى التردد الأساسي وعدد من “الترددات التوافقية”، ولكن ماذا نعني بـ “التردد الأساسي”؟
 

التردد الأساسي:
 

الشكل الموجي الأساسي (أو التوافقي الأول)، هو الشكل الموجي الجيبي الذي يحتوي على تردد الإمداد من المصدر الأساسي، وهو التردد الأدنى أو الأساسي، الذي تم بناء شكل الموجة المعقد عليه، وعلى هذا النحو الوقت الدوري،
(Τ)، من الشكل الموجي المعقد الناتج سيكون مساوياً للوقت الدوري للتردد الأساسي.
 

حيث: (Vmax)، هي قيمة الذروة بالفولت وهو تردد الموجة بالهيرتز (هرتز).

يمكننا أن نرى أن شكل الموجة الجيبية هو جهد متناوب (أو تيار متناوب)، والذي يختلف كدالة جيبيه للزاوية، (2πƒ)، أما بالنسبة لتردد أشكال الموجة، يتم تحديده بعدد الدورات في خلال الثانية الواحدة، كما هو الحال في المملكة المتحدة، يتم ضبط هذا التردد الأساسي على (50 هرتز)، بينما في الولايات المتحدة هو (60Hz).
 

التوافقيات هي الفولتية أو التيارات التي تعمل بتردد يمثل عدداً صحيحاً، (رقم صحيح) مضاعفاً من مضاعفات التردد الأساسي، لذلك بالنظر إلى الشكل الموجي الأساسي (50 هرتز)، فهذا يعني أن التردد التوافقي الثاني سيكون،
100 هرتز (2 × 50 هرتز)، التوافقي الثالث سيكون 150 هرتز (3 × 50 هرتز)، خامس عند 250 هرتز،
السابع عند 350 هرتز وهكذا، وبالمثل، بالنظر إلى الشكل الموجي الأساسي (60 هرتز)، فإن الترددات التوافقية الثانية والثالثة والرابعة والخامسة ستكون عند (120 هرتز و180 هرتز و240 هرتز و300 هرتز)، على التوالي، بعبارة أخرى، يمكننا القول أن “التوافقيات” هي مضاعفات التردد الأساسي.
 

الأشكال الموجية المعقدة بفعل التوافقيات:

نلاحظ من الأشكال الموجية الحمراء أعلاه، أن الأشكال الفعلية لأشكال الموجة كما يراها الحمل بسبب إضافة المحتوى التوافقي إلى التردد الأساسي، كما يمكننا أيضاً تسمية الشكل الموجي الأساسي بالشكل الموجي التوافقي الأول، لذلك يكون التوافقي الثاني له تردد ضعف التردد الأساسي، والثالث له تردد ثلاثة أضعاف التوافقي الأساسي والرابع له تردد أربعة أضعاف الأساسي كما هو موضح في العمود الموجود على الجانب الأيسر.
 

يُظهر العمود الموجود على الجانب الأيمن، شكل الموجة المعقد الناتج عن التأثير بين إضافة الشكل الموجي الأساسي وأشكال الموجة التوافقية، عند ترددات توافقية مختلفة، نلاحظ أن الشكل الموجي المعقد الناتج سيعتمد ليس فقط على عدد واتساع الترددات التوافقية الموجودة، ولكن أيضاً سوف يعتمد على علاقة الطور بين التردد الأساسي والترددات التوافقية الفردية.
 

يمكننا أن نرى أن الموجة المعقدة تتكون من شكل موجة أساسي بالإضافة إلى التوافقيات، ولكل منها قيمة الذروة وزاوية الطور، وعلى سبيل المثال، إذا تم إعطاء التردد الأساسي كــ (( E = Vmax (2πƒt)، سيتم إعطاء قيم التوافقيات على النحو التالي:
 

للحصول على توافقي ثان:
 

(E2 = V2max (2 * 2πƒt) = V2max (4πƒt) = V2max (2πt)
 

للحصول على توافقي ثالث:
 

(E3 = V3max (3 * 2πƒt) = V3max (6πƒt) = V3max (3ωπt)
 

للحصول على توافقي رابع:
 

E4 = V4max (4 * 2πƒt) = V4max (8πƒt) = V4max (4πt)
 

تصنف التوافقيات عموماً حسب اسمها وترددها، على سبيل المثال التوافقية الثانية للتردد الأساسي عند 100 هرتز، وأيضاً حسب تسلسلها، يشير التسلسل التوافقي إلى الدوران الطوري للجهد التوافقي والتيارات فيما يتعلق بالشكل الموجي الأساسي في نظام متوازن ثلاثي الأطوار رباعي الأسلاك.
 

التسلسل التوافقي الموجب (الرابع ، السابع ، العاشر)، سوف يدور في نفس الاتجاه (للأمام)، مثل التردد الأساسي تماماً، حيث يدور التوافقي كتسلسل سلبي (الثاني، الخامس، الثامن)، في الاتجاه المعاكس (عكسي) للتردد الأساسي.
 

بشكل عام، التوافقيات التسلسلية الإيجابية غير مرغوب فيها؛ لأنها مسؤولة عن ارتفاع درجة حرارة في الموصلات وخطوط الطاقة والمحولات بسبب إضافة أشكال الموجة.
 

من ناحية أخرى، تدور توافقيات التسلسل السلبي بين المراحل مما يخلق مشاكل إضافية مع المحركات؛ لأن دوران الطور المعاكس يضعف المجال المغناطيسي الدوار، والذي تطلبه المحركات وخاصة المحركات الحثية، مما يؤدي إلى إنتاج عزم ميكانيكي أقل.
 

مجموعة أخرى من التوافقيات الخاصة تسمى “ثلاثية” (مضاعفات الثلاثة)، لها تسلسل دوران صفري، الثلاثية هي مضاعفات التوافقي الثالث (الثالث، السادس، التاسع)، ومن هنا جاء اسمها، وبالتالي يتم إزاحتها بمقدار صفر درجة، كما أن التوافقيات المتتالية الصفرية تدور بين الطور والمحايد أو الأرضي.
 

على عكس التيارات التوافقية الموجبة والسالبة التي تلغي بعضها البعض، فإن التوافقيات من الرتبة الثالثة أو الثلاثية لا تُلغى، بدلاً من ذلك يتم إضافة حساباً في السلك المحايد المشترك الذي يخضع لتيارات من جميع الأطوار الثلاثة، والنتيجة هي أن السعة الحالية في السلك المحايد بسبب هذه التوافقيات الثلاثية يمكن أن تصل إلى 3 أضعاف سعة تيار الطور عند التردد الأساسي مما يجعله أقل كفاءة ويزداد سخونة.
 

ملخص التوافقيات:
 

التوافقيات هي أشكال موجية ذات تردد أعلى يتم فرضها على التردد الأساسي، أي تردد الدائرة، وهي كافية لتشويه شكل الموجة بشكل جزئي أو كامل، يعتمد مقدار التشويه المطبق على الموجة الأساسية كلياً على نوع وكمية وشكل التوافقيات الموجودة.
 

لم تكن التوافقيات موجودة إلا بكميات كافية على مدار العقود القليلة الماضية، ولكن ومنذ إدخال المحركات الإلكترونية للمحركات والمراوح والمضخات ودوائر تبديل مصدر الطاقة مثل، المقومات ومحولات الطاقة ووحدات التحكم في الطاقة الثايريستور بالإضافة إلى معظم الطور الإلكتروني غير الخطي المتحكم فيه الأحمال ومصابيح الفلورسنت عالية التردد (الموفرة للطاقة)، هذا يرجع أساساً إلى حقيقة أن التيار المتحكم فيه بواسطة الحمل لا يتبع أشكال موجة الإمداد الجيبية كما هو الحال في المقومات، أو دوائر تبديل أشباه موصلات الطاقة.
 

تتحد التوافقيات في نظام توزيع الطاقة الكهربائية مع مصدر التردد الأساسي (50 هرتز أو 60 هرتز)، لإنشاء تشويه للجهد أو أشكال الموجة الحالية، ينتج عن هذا التشويه شكل موجة معقد مكون من عدد من الترددات التوافقية التي يمكن أن يكون لها تأثير سلبي على المعدات الكهربائية وخطوط الطاقة.
 

إن مقدار تشوه شكل الموجة الحالي الذي يعطي شكلاً موجياً معقداً، له شكله المميز والذي يرتبط ارتباطاً مباشراً بترددات ومقادير المكونات التوافقية الأكثر شيوعاً، والتي يتضاعف ترددها التوافقي (أعداد صحيحة كاملة) للتردد الأساسي، المكونات التوافقية الأكثر شيوعاً هي التوافقيات ذات الترتيب المنخفض من الثاني إلى التاسع عشر، مع كون المثلثات الثلاثية الأسوأ على الاطلاق.