روش های اصلاح انواع هارمونیک در برق

 

کیفیت برق برای شرکت ها و مصرف کنندگان انرژی الکتریکی از اهمیت خاصی برخوردار است. لوازمی همچون کامپیوترها، لوازم الکتریکی و دستگاه های صنعتی قابل برنامه ریزی و کنترل کننده ها، نسبت به انواع هارمونیک در برق بسیار حساس هستند.

از سوی دیگر، استفاده از لوازم تولید کننده اغتشاش در سیستم قدرت مانند منابع الکترونیک قدرت و کنترل دور موتورها روند رو به افزایشی یافته است. هارمونیک ها آلوده سازی شکل موج را در اشکال سینوسی آن ها نشان می دهند. ولی فقط در مضارب فرکانس اصلی تخریب شکل موج را می توان در فرکانس های مختلف (مضارب فرکانس اصلی) به عنوان یک نوسان دوره ای به وسیله آنالیز فوریه تجزیه و تحلیل کرد.

 

سوال الیکا الکتریکهارمونیک چیست؟

   در شبکه های مدرن فشار ضعیف مصرف کنندگان زیادی وجود دارد که از شبکه، جریان غیرسینوسی می کشند. این جریان ها به دلیل وجود امپدانس شبکه موجب ایجاد افت ولتاژ می شوند. افتی که موجب تغییر شکل ولتاژ سینوسی شبکه می شود.

این آثار طبق بسط فوریه می توانند به هارمونیک پایه (اصلی) تک تک هارمونیک ها تجزیه شوند. فرکانس های هارمونیک مضرب صحیحی از فرکانس پایه هستند و با حرف n یا v مشخص می شوند.

به کمک هارمونیک ها می توان هر شکل موج پریودیک را نمایش داد، به عبارت دیگر به کمک تبدیل فوریه هر تابع متناوب با دوره تناوب T را می توان به صورت مجموعی از مولفه های زیر نوشت:

  • یک مؤلفه سینوسی با همان دوره تناوب T
  • تعداد مؤلفه سینوسی با فرکانس هایی که ضرایب صحیح فرکانس مؤلفه اصلی هستند.
  • یک مؤلفه ثابت که دارای متوسط غیر صفر است.

 

  • امواج هارمونیک 

مؤلفه سینوسی امواج هارمونیک که دارای فرکانسی مشابه با شکل موج اصلی است را “هارمونیک پایه” و مؤلفه هایی که فرکانس آنها n برابر فرکانس هارمونیک پایه است را هارمونیک n ام می نامند. اگر تبدیل فوریه روی یک موج سینوسی خالص اعمال شود، به غیر از هارمونیک پایه، هیچ هارمونیک دیگری به دست نخواهد آمد. در مقابل، وجود هارمونیک در سیستم نشانگر وجود اعوجاج در شکل موج ولتاژ یا جریان نسبت به حالت سینوسی است و این اعوجاج می تواند منجر به عملکرد اشتباه تجهیزات و یا حفاظت ها شود.

در مجموع، هارمونیک ها چیزی جز مولفه های تشکیل دهنده یک شکل موج دارای اعوجاج نیستند و با استفاده از سری فوریه و با تعیین این مؤلفه ها می توان شکل موج های غیرخطی را آنالیز نمود. شکل زیر نمایش تصویری از یک شکل موج غیرخطی و هارمونیک های آن را نشان می دهد.

                                                         

  یک شکل موج غیر سینوسی به همراه هارمونیک های آن

 

هارمونیک-و-شکل-موج-هارمونیک ها

 

 

سوال الیکا الکتریک

امواج هارمونیک چگونه تولید می شود ؟

امواج هارمونیک در اثر وجود بارهای غیرخطی تولید می گردند. هنگامی که یک موج ولتاژ سینوسی به این بارها اعمال گردد جریان آنها شکل موجی غیر سینوسی خواهد داشت.

هر شکل موج غیر سینوسی را می توان به مؤلفه های سینوسی آن تجزیه کرد. اگر امپدانس شبکه خیلی کوچک باشد، اعوجاج ولتاژ حاصل از جریان غیر سینوسی هم طبیعتاً ناچیز است ولی ندرتاً ممکن است سطح اعوجاج ولتاژ در شبکه از حدود تعیین شده بالاتر رود.

یعنی حتی اگر جریان دچر اعوجاج باشد، معمولاً ولتاژ را می توان تا حدود زیادی سینوسی فرض کرد. بسیاری از لوازم الکترونیکی در منابع تغذیه خود برش هایی در شکل موج سینوسی جریان ایجاد کرده و از این طریق مقدار rms مورد نیاز را تولید می کنند، همین مسئله باعث می شود جریان ورودی آنها به فرم غیر سینوسی در آید. عمده ترین بارهایی که هارمونیک ها را تولید می کنند، بارهای غیر خطی هستند. این بارها مثل عبارتند از:

بارهای خطی مثل خازن ها، موتورهای سه فاز، مقاومت های اهمی (بخاری مقاومتی، لامپ های رشته ای) تاثیری در هارمونیک های برق ندارند. بارهای غیرخطی باعث ایجاد هارمونیک‌های ناخواسته در شبکه می گردد که موجب اشکالات زیر می شود:

    • عدم تقارن
    • اعوجاج در ولتاژ
    • خطا در ارتباطات
    • کاهش ضریب توان
    • خطای اندازه گیری
    • کاهش توان موتورها
    • تشدید سری و موازی
    • خطا در انتخاب کابل قدرت
    • افزایش درجه حرارت و  اضافه بار در ترانسفورمرها

   به دلیل تعداد زیاد مصرف کنندگان اینگونه بارها، جریان های هم فاز آنها در ساعات شب در بعضی از شبکه های ولتاژ، رزونانس پدید می آید.

                                                 

   جریان حاصل از یک بار خطی و یک بار غیر خطی متصل به ولتاژ سینوسی

به طور کلی اعوجاج شکل موج ها در این تجهیزات از وجود پل های یکسو کننده درون آنها نتیجه می شود. در این پلها سوئیچ های نیمه هادی فقط برای پریود خاصی از زمان، جریان را هدایت می کنند و ناپیوستگی هایی که به این ترتیب در شکل موج جریان حاصل می گردد، باعث تولید هارمونیک خواهد شد.

ترانسفورمرها هم می توانند آلودگی هارمونیکی تولید کنند. در واقع اگر یک موج کاملاً سینوسی ولتاژ به ترانسفورمر اعمال گردد، هر چند شکل موج شار حاصله نیز سینوسی است ولی به دلیل وجود پدیده اشباع مغناطیسی در هسته ترانس، شکل موج جریان مغناطیس کننده، غیر سینوسی خواهد بود.

جریان مغناطیس کننده ای که به صورت فوق تولید شده دارای هارمونیک های متعدد است که بزرگترین آنها هارمونیک سوم است. باید توجه داشت که جریان مغناطیس کننده، خود در مقایسه با جریان نامی ترانس مقدار کوچکی دارد. لذا اعوجاج تولید شده، به هنگام بارگذاری ترانس ها، اهمیت چندان زیادی ندارد.

کاهش ضریب توان در اثر امواج هارمونیک

گاهی میزان افزایش میزان هارمونیک باعث کاهش ضریب قدرت می شود که این موضوع به دلیل وجود یک مؤلفه جدید توان در اثر جریان های هارمونیک ، به نام توان اعوجاج هارمونیک (D) رخ می دهد. بنابراین ضریب توان جدید باید در نظر گرفته شود که از رابطه زیر به دست می آید.

 

دیاگرام-توان-و-فرمول-ضریب-توان-با-وجود-هارمونیک

PF: ضریب توان

S: توان ظاهری

P: توان اکتیو

Q: توان راکتیو

D: توان اعوجاج هارمونیک

 

  • هارمونیک های زوج و فرد

در حال حاضر هارمونیک های زوج و فرد و مرتبۀ ۳ در اندازه های مختلف ضرایب فرکانس‌های مختلف در سامانه ‌های الکتریکی موجودند که مستقیماً تجهیزات سامانه الکتریکی را متأثر می سازند. در واقع هارمونیک‌های زوج و مرتبه ۳ هریک تلاش می کنند که دیگری را خنثی کنند.

ولی در مدت زمانی که بار نامتعادل است این هارمونیک‌های فرد اول مانند هارمونیک‌های زوج و مرتبۀ ۳ منجر به اضافه بار در نول و اتلاف انرژی شدید می شوند. هارمونیک‌های فرد اول مانند هارمونیک پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و … عملکرد این تجهیزات الکتریکی را تحت تاثیر قرار دهند. به دلیل افزایش اعوجاج های هارمونیکی در شبکه های فشار ضعیف و متوسط، طراحی بانک های خازنی بسیار مشکل و پیچیده است.

 

اندازه گیری و کنترل هارمونیک های ۵، ۷، ۱۱ و ۱۳ در شبکه های فشار ضعیف

به وسیله این کنترل، دستگاه به طور مرتب از کیفیت شبکه آگاه می شود و در زمان افزایش دامنۀ هارمونیک ها از مقدار خاصی هشدار صادر می کند. بدین وسیله می توان به موقع از ایجاد اختلالات در شبکه و در مصرف کننده مطلع و اقدامات لازم را برای جلوگیری از آن به عمل آورد.

  • رلۀ اضافه جریان در جبران سازی های بدون راکتور، این عمل به عنوان حفاظت از اضافه بار در جبران سازی های بدون راکتور است و از وقوع رزونانس های هارمونیکی جلوگیری می کند. قطع جریان زمانی به وجود می آید که اضافه بار بیش از ۷۵ ثانیه دوام داشته باشد. رلۀ اضافه بار سریع تر از فیوز سری است، که فقط در حالت اتصال کوتاه به صورت مطمئن عمل می کند.
  • تنظیم اتوماتیک تأخیر بر اساس توان مورد نیاز: به تغییر بار شدید بسیار سریع پاسخ داده می شود و به تغیر بار کند با سرعت کم تری پاسخ داده می شود. در ضمن اطمینان حاصل می شود که پله های خازنی که پس از قطع کاملاً تخلیه شده اند، به شبکه وصل می شوند. کلید زنی بر اساس تغییرات بار و با کمترین تعداد قطع و وصل سوق می دهد و بدین وسیله کمترین استهلاک و طولانی ترین طول عمر بدست می آید.
  • همزمان از وضعیت بحرانی شبکه جلوگیری می شود. بدین صورت که برعکس روش قدیمی توان خازن زمان تغییر شدید بار سریع، دقیق به میزان مورد نیاز تنظیم می شود.
  • موقع کاهش بار از جبران سازی اضافی طولانی ترانس های بی بار جلوگیری می شود.
  • در شبکه هایی که دارای هارمونیک هستند، در کوتاه ترین زمان ممکن هارمونیک ها توسط فیلترها جذب شده و کاهش آنها تضمین می شود. بدین وسیله با اطمینان از افزایش دامنۀ هارمونیک ها موقع تغییرات شدید بار جلوگیری می شود.
  • رله ولتاژ صفر و جریان صفر: این سیستم ایمنی، در زمان قطع مدار ولتاژ یا جریان، تجهیزات جبران سازی را از شبکه جدا می کند. بدین وسیله در طی قطع کوتاه مدت ولتاژ از وصل تمامی خازن ها به ترانس بی بار جلوگیری می کند رگولاتور پس از برگشت ولتاژ، پله های خازن را مطابق با توان مورد نیاز مجدداً وصل می نماید.
  • تنظیم توان راکتیو در مصرف کننده های دارای ژنراتور و با امکان بازگشت توان اکتیو: برای کار در این نوع شبکه ها رگولاتور به دستگاه اندازه گیری چهار ناحیه ای مجهز است. به غیر از این می توان دو مشخصۀ کنترلی متفاوت برای حالت های مصرف و برگشت توان اضافه جبران سازی رخ ندهد و نیز جریان راکتیو از شبکه کشیده نشود. فقط این خاصیت تنظیم ترکیبی از ایجاد مخارج راکتیو زمان بازگشت جلوگیری می کند.
  • پله ثابت برای جبران سازی مستقل از بار: می توان پله هایی را مشخص نمود تا در فرآیند تنظیم قرار نگیرد و تا زمانی که رگولاتور ولتاژ داشته باشد به شبکه متصل هستند. تمامی کنترل های حفاظتی مثل رله ولتاژ صفر یا رله جریان صفر یا رله اضافه جریان برای پله های ثابت برنامه ریزی شده فعال باقی می مانند.
  • دو برنامه تنظیم جدا از هم که از طریق کنتاکتور می توانند انتخاب شوند. هر دو برنامه تنظیم می توانند با ضریب توان های مختلف و خطوط متفاوت برنامه ریزی شوند. با تنظیم دو برنامۀ مجزا می توان ضوابط وزارت نیرو برای جبران سازی بالا در روز و جبران سازی کم در شب را رعایت کرد.

 

 

سوال الیکا الکتریکامواج هارمونیک چه اثری در برق دارد ؟

 

مهم ترین مشکلاتی که توسط هارمونیک های جریان تولید می شوند عبارتند از:

۱- اضافه جریان در نول

۲- افزایش تلفات ترانسفورمرها

۳- افزایش اثر پوستی

مهم ترین مشکلاتی که توسط هارمونیک های ولتاژ تولید می شوند عبارتند از:

۴- اعوجاج ولتاژ

۵- نایکنواختی در گشتاور موتورهای القایی

 

تأثیر امواج هارمونیک در اضافه جریان در نول

در سیستم های سه فاز متعادل ۴ سیمه (دارای نول)، بین فازها یک اختلاف فاز ۱۲۰ درجه وجود دارد و اگر بار فازها متعادل باشد، جریان سیم نول صفر خواهد بود. در این سیستم ها فقط وجود بارهای نامتعادل (مثلا بارهای تک فاز یا دو فاز) منجر به وجود جریان در سیم نول خواهد شد.

                                               

نحوۀ تولید جریان مغناطیسی غیر خطی در ترانسفورمر

در شکل زیر یک مجموعه جریان سه فاز نامتعادل نشان داده شده است (دامنۀ جریان فاز سوم ۳۰ درصد بیشتر از دو فاز دیگر است). جریان نول در این سیستم با خط پر رنگ مشخص شده است. در چنین وضعیتی، استاندارد اجازه می دهد سطح مقطع سیم نول کوچکتر از سیم فاز در نظر گرفته شود، ولی به هر حال در صورت وجود بارهای غیر خطی باید اثر هارمونیک ها را به دقت بررسی کرد.

بر خلاف هارمونیک اول که اگر مؤلفه های آن با یکدیگر جمع شوند یکدیگر را خنثی می نمایند، جمع کردن مؤلفه های هارمونیک سوم فازها، منجر به تقویت آنها می شود. همچنان که در شکل نشان می دهد مولفه های هارمونیک سوم فازها عملاً هم فاز هستند. همین حالت برای هر هارمونیک دیگری که مضرب ۳ باشد نیز رخ خواهد داد (هم مضارب زوج و هم فرد، هر چند که بیشتر مضارب فرد در عمل وجود دارند).

 شکل موج جریان فازها در یک سیستم نامتعادل به همراه جریان نول

 

تأثیر امواج هامونیک در افزایش تلفات ترانسفورمرها

 

آثار هارمونیک ها در درون ترانسفورمرها را عمدتاً می توان به سه دسته زیر تقسیم کرد:

الف. تلفات هیسترزیس و فوکو: تلفات هیسترزیس با خود فرکانس و تلفات فوکو با مجذور آن متناسب هستند.

ب. تلفات مس: اگر فرکانس بالا رود (بیش از ۳۵۰ هرتز) جریان در هادی ها به سمت سطح رانده می شود (اثر پوستی). در این شرایط عملاً باید سطح مقطع هادی را کمتر از حد واقعی آن در نظر گرفت و در نتیجه تلفات مس بالا می رود.

ج. جریان های گردشی: در صورتی که در سیم پیچ هایی که به صورت مثلث به هم بسته شده اند هارمونیک سوم و مضارب آن وجود داشته باشند، از سیم پیچ بیرون نرفته و در مثلث گردش می کنند. دلیل این امر هم فاز بودن سه جریان است. با توجه به این مسئله در مورد ظرفیت نامی ترانسفورمر باید دقت بیشتری انجام داد.

  مولفه های اصلی و هارمونیک سوم فازها و نتیجۀ هارمونیک سوم حاصل از سه فاز

 

 تقویت اثر پوستی در اثر هارمونیک جریان

با افزایش فرکانس، جریان تمایل به متمرکز شدن روی سطح هادی دارد. این پدیده را اثر پوستی گویند و با افزایش فرکانس، اثر آن تقویت می شود. در فرکانس ۵۰ هرتز، اثر پوستی قابل اغماض است.

ولی در فرکانس های بالای ۳۵۰ هرتز که معادل با هارمونیک های هفتم به بالا هستند، سطح مقطع موثر هادی ها کاهش یافته و تلفات مس افزایش خواهد یافت. پس در صورت وجود فرکانس های بالا باید اثر پوستی را به حساب آورد، زیرا این مسئله بر عمر کابلها تأثیر می گذارد. برای کاهش این مسئله می توان از کابل های چند رشته یا باس بارهایی استفاده کرد که از شینه های جدا از یکدیگر تشکیل شده اند.

 

اعوجاج ولتاژ در اثر هارمونیک ولتاژ

جریان اعوجاج یافته ای که توسط بارهای خطی کشیده می شود، با عبور از امپدانس کابلها، افت ولتاژ اعوجاج یافت ای تولید می نماید. این ولتاژ اعوجاج یافته به سایر بارهای حاضر در آن شبکه اعمال شده و باعث می شود که حتی در بارهای خطی نیز هارمونیک های جریان داشته باشیم. یک راه حل برای این مسئله آنست که بارهای هارمونیک زا را از بارهای حساس به هارمونیک جدا کنیم.

 

نایکنواختی در گشتاور موتورهای القایی در اثر هارمونیک ولتاژ

وجود هارمونیک های ولتاژ منجر به افزایش تلفات فوکو در موتورها و تراسفورمرها می شود. در عین حال وجود این هارمونیک ها در موتورها منجر به تولید میدان های اضافی خواهد شد که سعی در گرداندن موتور با سرعت های مختلف دارند (هارمونیک های اول، چهارم، هفتم و … در جهت گردش نامی و هارمونیک های دومف پنجم، هشتم و … در خلاف جهت نامی) علاوه بر این جریان های فرکانس بالا، با القاء در روتور منجر به افزایش تلفات می شوند.

 

  • پارامترهای اساسی در آنالیز امواج هارمونیک

روابط اصلی هارمونیک ها

تعاریف و پارامترهای اساسی که در آنالیز هارمونیک ها به کار می روند عبارتند از:

روابط مؤلفه های هارمونیک 

روابط-هارمونیک ها

اعوجاج هارمونیکی که با پارامتر THD، مخفف Total Harmonic Distortion (مجموع اعوجاج هارمونیکی)، عنوان می شود از روابط زیر به دست می آید.

 

روابط-اعوجاج-هارمونیکی-کل-THD

 

طیف فرکانسی 

طیف فرکانسی روشی سنتی در نمایش فرکانس های یک شکل موج است. در این نمایش روی یک هیستوگرام، دامنۀ هر هارمونیک به صورت درصدی از هارمونیک پایه نمایش داده می شود. طیف فرکانسی در واقع اندازه هر یک از هارمونیک ها را در شبکه نشان می دهد.

ضریب پیک موج 

ضریب پیک نسبت مقادیر پیک و rms یک شکل موج را نشان می دهد. اگر شکل موج کاملاً سینوسی باشد مقدار این ضریب ۲√ است ولی اگر شکل موج حاوی هارمونیک باشد این مقدار بزرگتر بدست خواهد آمد. اگر ضریب پیک مقدار بالایی داشته باشد، نتیجۀ آن قطع ناخواسته حفاظت ها خواهد بود.

                                                                                                      

 نمایش طیف فرکانسی و هارمونیک پایۀ یک شکل موج غیر خطی

  • روش های کاهش میزان هارمونیک

   اثرات تعیین کننده و عمدۀ هارمونیک ها عبارتند از:

  • اختلالات مخابراتی
  • نویز اضافی در موتور و دیگر وسایل
  • عملکرد نامناسب وسایل کنترل کننده
  • تلفات اضافی در خازن ها و ماشین های الکتریکی
  • عملکرد نامناسب سیستم های تولید کننده سیگنال و رله های حفاظتی

در ادامه روش هایی را برای کاهش میزان امواج هارمونیک معرفی می کنیم :

استفاده از مبدل هایی با هارمونیک پایین

یکی از راه حل ها برای کاهش سطح هارمونیک در سیستم نصب مبدل های مولتی پالس کارآمد با سطح هارمونیک پایین تر (۱۲ پالس- ۱۸ پالس و…)  است. مبدل هایی که مجهز به ترانسفورماتورهای تغییر فاز هستند، مؤثرتر خواهند بود.

 

مبدل-پالس-با-هارمونیک-پایین-برای-کاهش-سطح-هارمونیک

 

استفاده از اینورترهای Active Front End با یکسوسازهای اکتیو

این نوع مبدل ها مشابه تجهیزات مولتی پالس هستند با این تفاوت که IGBT ها جایگزین دیودهای یکسو کننده می شوند و هارمونیک ها را به طور قابل توجهی کاهش می دهند و سوئیچینگ به صورت الکترونیکی کنترل می شود. در این حالت می توان شکل موج THD جریان ورودی را به کمتر از ۵ درصد کاهش داد. هم چنین در این حالت تأثیر هارمونیک کاهش می یابد اما گرمای تولید شده افزایش می یابد. بنابراین نیاز به خنک کننده دارد.

این راه حل، مناسب زمانی است که فضای کمتری موجود باشد و البته هزینه این روش بیشتر از حالت قبل است.

 

کاهش-میزان-هارمونیک-با-اینورترهای-Active-Front-End

 

 

استفاده از فیلتر پسیو

مدارهای LC سری تشکیل دهنده این نوع فیلترها هستند. فیلترهای پسیو از یک خازن و راکتور سری تشکیل شده اند که به صورت سری با بارهای غیر خطی نصب می شوند تا جریان های هارمونیکی خاص تولید شده را جذب کنند.

این نوع فیلترها مقرون به صرفه بوده و به راحتی قابل نصب و راه اندازی هستند. این دسته از فیلترها باید برای هر مورد به صورت خاص، (مطابق با هر هارمونیک به خصوص که باید فیلتر شود)، تعریف و طراحی می شوند. در واقع هر فیلتر پسیو برای یک فرکانس خاص تنظیم می شود.

فیلترهای پسیو در صورت تغییر شرایط اعوجاج هارمونیک، انعطاف پذیری کمتری ارائه می دهند، زیرا با توجه به شرایط جدید دستگاه نیاز به اصلاح دارند. هم چنین از آن جا که این نوع فیلترها به صورت سری با بار نصب می شوند، افت ولتاژ اضافی به مدار اضافه می شود که باید در طراحی مورد توجه قرار گیرد.

 

کاهش-میزان-هارمونیک-فیلتر-پسیو

 

 

فیلتر اکتیو

فیلتر اکتیو از سوئیچینگ الکترونیکی قدرت برای تولید جریان های هارمونیک استفاده می کند که جریان های هارمونیک سیستم را از بین ببرد. این دسته فیلترها به طور موازی با بارهای غیرخطی نصب می شوند تا جریان فاز مخالف را به جریان هارمونیک موجود در سیستم تزریق کند. این نوع فیلترها بسیار گرانتر و پیچیده تر برای تنظیم و راه اندازی پیچیده تر هستند.

از جمله مزیت های فیلترهای اکتیو این است که آن ها می توانند به طور خودکار هارمونیک های موجود در یک شبکه را در طیف گسترده ای از فرکانس ها از بین ببرند.

این فیلترها سطح هارمونیک های شبکه را تشخیص داده و جریان مورد نیاز برای نگه داشتن مقدار اعوجاج هارمونیک یا به عبارتی THD در حد پایین تر از میزان آستانه برنامه ریزی شده، را تزریق می کنند.

انجام یک محاسبه دقیق هارمونیک برای انتخاب فیلتر مناسب و تنظیم آن مطابق با الزامات بسیار مهم است.

فیلترهای اکتیو می توانند به منظور تصحیح ضریب توان هنگامی که در حالت کار در بار کامل نیستند، مورد استفاده قرار گیرند (زیرا این امر باعث کاهش ظرفیت محدود کننده هارمونیک می شود).

 

کاهش-میزان-هارمونیک-فیلتر-اکتیو

 

برای رفع مشکل هارمونیک ها می توان از فیلترهای اکتیو استفاده کرد. همان طور که در تصویر زیرملاحظه می شود فیلترهای اکتیو موازی نزدیک مصرف کننده و به صورت موازی با آن به شبکه وصل میشود. هدف اصلی از به کارگیری این وسیله، تزریق هارمونیک های جریان (برابر هارمونیک های جریان بار) به نقطۀ اتصال است. در این صورت جریان کشیده شده از منبع عاری از هارمونیک خواهد بود. یکی ازکاربردهای فرعی فیلترهای اکتیو موازی جبران توان راکتیو است. بدین صورت که علاوه بر تزریق جریان هارمونیکی، جریان راکتیو را نیز به نقطۀ اتصال تزریق می کنند و در واقع مشابه خازن، توان راکتیو جاری شده در شبکه کاهش می یابد.

                             

 

 

استفاده از خازن اصلاح ضریب توان

هزینۀ برق مصرفی در تعرفه های چند قسمتی، به وسیله نصب خازن در مدار که منجر به کاهش توان راکتیو میشود، انجام می گردد. اما به جهت هزینه بر بودن نصب خازن لازم است به هزینه انرژی الکتریکی و هزینۀ نصب و راه اندازی خازن توجه شود و با توجه به این هزینهها اقتصادی ترین ضریب توان تعیین شود. بدیهی است برای تعرفه های یک قسمتی، ضریب توان اقتصادی بی معنی است چرا که در این نوع تعرفه، هزینه انرژی راکتیو و جریمه پایین بودن ضریب توان اعمال نمی شود. برای استفاده از خارن های اصلاح ضریب توان باید :

  • اندازه گیری دقیق ضریب توان در شبکه های هارمونیک بالا در محدودۀ بار ۰٫۰۲ تا ۵ آمپر در مدار اندازه گیری و کنترل ضریب توان، که با دقت بالایی بر اساس هارمونیک پایه حتی در بار کم انجام می گیرد.
  • تثبیت ضریب توان به حداقل ضریب توان مطلوب و هم زمان جلوگیری از اضافه جبران سازی در بارهای کم.

 


بیشتر بخوانید

بررسی روش های اصلاح ضریب توان

 


 

  • بانک خازنی

بانک‌ خازنی تزریق شده به شبکه به همراه اندوکتانس های موجود در شبکه تشکیل یک مدار رزونانسی می دهند در هنگام تشدید، جریان مؤثر واحدهای خازنی به شدت افزایش می یابد که باید با نصب فیلترهای مناسب حفاظت گردند هارمونیک های ولتاژ و جریان تاثیرات متفاوتی بر تجهیزات الکتریکی دارند. خازن های قدرت هم در هارمونیک ها ولتاژی و هم در هارمونیک های جریانی آسیب پذیرند به طور عمده هارمونیک های جریان موجب تداخل مغناطیسی و همچنین موجب افزایش اتلاف در شبکه های توزیع می شوند.

هارمونیک های جریان وابسته به بار هستند، در حالی که سطح هارمونیک‌های ولتاژ به پایداری سامانه تغذیه و هارمونیک های بار (هارمونیک های جریان) بستگی دارد.

عموماً هارمونیک‌های ولتاژ از هارمونیک‌های جریان کمتر خواهند بود. تشدید سلفی- خازنی در همه انواع بارها مشاهده می شود. ولی اگر هارمونیک‌ها در شبکه توزیع نباشند تاثیر تشدید کمتر می شود.

در هر ترکیب سلفی-خازنی در حالت سری یا در حالت موازی، در فرکانسی خاصی تشدید رخ می دهد که این فرکانس خاص فرکانس تشدید نامیده می شود. فرکانس تشدید فرکانسی است که در آن راکتنس خازنی (XC) و راکتنس القایی (XL) برابر هستند.

برای بارهای که شامل اندوکتانس بار و یا راکتنس ترانسفورماتور هستند که با XL  نشان داده می شود و راکتنس خازن تصحیح ضریب توان که به صورت XC نشان داده می شود فرکانس تشدیدی برابر با LC خواهیم داشت. راکتنس خازنی متناسب با فرکانس کاهش می یابد چون XC با فرکانس نسبت عکس دارد.

ولی راکتانس خازنی متناسب با فرکانس افزایش می یابد چون XL با فرکانس نسبت مستقیم دارد. این فرکانس تشدید به سبب متغیر بودن الگوی بار متغیر خواهد بود. این مساله برای ظرفیت خازنی ثابت کل که برای اصلاح ضریب توان در نظر گرفته شده پیچیده تر است.

حداکثر هارمونیک های کلی ولتاژ از ۴۰۰ ولت تا ۳۳ کیلوولت ۵ درصد است و برای مرتبه های زوج ۱٫۵ درصد برای مراتب فرد ۳ درصد است اما باید توجه داشت برای خازن ها حداکثر هارمونیک کلی ولتاژ برای عدم استفاده از فیلتر ۳ درصد باید باشد.

                        خازن ۲۵ کیلووار اشنایدر الکتریک
 

 

  • رگولاتور توان راکتیو

   رگولاتورهای میکروپروسسوری مسائل دشواری را حل می کند و قابلیت های بیشتری نسبت به رگولاتورهای معمولی دارند. نوآوری این دستگاه ها در جهت پاسخگویی به نیازهای یک شبکه مدرن صنعتی است که به صورت های گوناگون قابل نصب است. دقت و حساسیت این دستگاه حتی برای شبکه های با هارمونیک بالا قابل توجه است. این دستگاه همچنین پاسخگوی نیاز شبکه هایی است که در آنها به طور مداوم یا ناگهانی جهت توان برعکس می شود و به شبکۀ اصلی جریان تزریق می نمایند. تمامی اجزای یک بانک خازنی توسط این رگولاتور کنترل شده و از ایجاد اضافه بار جلوگیری می کند همچنین افزایش طول عمر تجهیزات را به همراه دارد.

 

  • ترانس جریان و مصرف درونی کابل های ترانس

   برای به کار اندازی یک رگولاتور توان راکتیو، نصب یک ترانس جریان ضروری است. این ترانس همراه با رگولاتور عرضه نمی شود اما در صورت تقاضای مشتری تحویل داده می شود. جریان اوله ترانس از طریق میزان جریان مصرف کننده مشخص می شود. نصب این ترانس بسته به حداکثر جریان بار است و یا به عبارت دیگر بسته به میزان بار نصب شده ترانس است. در صورتی که دستگاه های جریان به صورت سری با رگولاتور وصل شده باشد باید ترانسی با توان بالاتر به کار رود.

 

برای بررسی، دریافت لیست قیمت و خرید بانک خازنی و رگولاتور هوشمند اشنایدر کلیک کنید.

برای پشتیبانی فنی با شرکت الیکا الکتریک تماس بگیرید: 

۰۳۱-۳۲۶۶۴۵۵۰

۰۳۱-۳۲۶۶۳۸۳۶

۰۳۱-۳۲۶۶۳۸۳۷


 

  • مسدود کننده هارمونیک ها

برای کاربری سالم خازن ها لازم است که فرکانس تشدید مدار LC (سلف-خازن) که شامل اندوکتانس بار و خازن های اصلاح ضریب توان می شود، به فرکانسی دور از کمترین فرکانس هارمونیک تغییر داده شود.

برای مثال هارمونیک هایی که در سامانه تولید می شوند و خازن های قدرت را متأثر می سازند، هارمونیک های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و غیره هستند. پایین ترین هارمونیکی که بر خازن ها تاثیر می گذارد هارمونیک پنجم است که در فرکانس ۲۵۰ هرتز دیده می شود.

ترکیب سری  LC(سلف-خازن) در فرکانسی زیر ۲۵۰ هرتز تشدید می کند. بنابراین در همه فرکانس‌های هارمونیک‌ها ترکیب سری سلف و خازن مانند یک ترکیب سلفی عمل خواهد کرد و امکان تشدید برای هارمونیک پنجم یا هر هارمونیک بالاتری از بین می رود.

این ترکیب سلف و خازن که در آن فرکانس تشدید در فرکانسی دور از فرکانس هارمونیک تنظیم شده است، مدار LC (سلف-خازن) نامیزان شده (De-Tuned) نام دارد.

ضریب نامیزان سازی نسبت راکتانس به ظرفیت خازنی است. در مدار خازنی نامیزان شده، اساساً سلف مانند دستگاه مسدود کننده هارمونیک‌ها عمل می کند. برای خازن‌ها ضریب مناسب نامیزان سازی حدود ۷ درصد است که فرکانس تشدید را در ۱۸۹ هرتز تنظیم می کند.

نامیزان سازی ۶۷،۵ درصد همچنین در جایی استفاده می شود که فرکانس تشدیدی معادل ۲۱۰ هرتز دارد. نامیزان سازی ۱۴ درصد فرکانس تشدیدی معادل ۱۳۴ هرتز دارد. (در فرکانس ۵۰ هرتز) این مقدار نامیزان سازی برای حذف هارمونیک سوم نیز موثر است.

هر سه درجه نامیزان سازی، مسدود کردن (بلوکه کردن) هارمونیک‌ها از خازن ها را تضمین می کنند. در هنگام طراحی بانک های نامیزان سازی خازن نیازمند آن هستند که با نکات اساسی زیر مشخص شوند:

۱- محاسبه خازن کل خروجی مورد نیاز

۲- انتخاب درجه نامیزان سازی (۵٫۶۷ درصد -۷ درصد  -۱۴ درصد)

۳- محاسبه افزایش ولتاژ به وسیله سلف های سری که در انتخاب ولتاژ خازن مورد استفاده بسیار موثر است.

(درجه نامیزان سازی-۱) / (ولتاژ شبکه) = ولتاژ خازن انتخابی درجه نامیزان سازی مطلوب بر پایه هارمونیک موجود است.

لازم است که هارمونیک های سمت بار اندازه گیری شوند تا در درجه نامیزان  تصمیم گیری شود.

Fr = Fn√۱/p  

در فرمول های فوق Fr فرکانس رزونانس، Fn فرکانس شبکه و P درصد نامیزان سازی

شایان ذکر طراحی بانک های خازنی فیلتر دار کاری تخصصی است و بهتر است با مشاورین کیفیت توان این کار صورت گیرد.

 

 در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید. 

مقالات مرتبط

2 نظرات

  1. پیرا از صنایع روشنایی مشهد

    پاسخ دادن

    با سلام و خسته نباشید
    در یک کارخانه صنایع روشنایی که محصولات را روبات ها تولید می کنند، هارمونیک زیادی ایجاد شده که قسمتی از کارکرد بانک خازنی را بی اثر کرده است. دستگاه پاور آنالایزر نصب نموده ایم که به ما می گوید در بعضی از قسمت های کارخانه، هارمونیک ۲۰% می شود. هارمونیک های مزاحم مشکلاتی برای کارکرد دستگاه های CNC به وجود آورده و باعث داغ شدن تابلوهای برق و بانک خازنی گردیده است.
    قصد داریم یک ترانس ۶۳۰ کاوا نصب کنیم و در وردی کارخانه، یک تابوی خازنی اصلی قرار داده و فیلتر هارمونیک را در آنجا قرار دهیم. محاسبات فیلتر هارمونیک به چه شکل بوده و چگونه آنرا اندازه گیری نماییم؟

    ۲۵ تیر ۱۳۹۹
    • الیکا الکتریک

      پاسخ دادن

      با درود بر شما
      اگر قصد دارید که فیلتر هارمونیک که یک سلف است را در ورودی کارخانه و در کنار تابلوی بانک خازنی قرار دهید، چنین عملی را به شما پیشنهاد نمی کنیم. زیرا با توجه به توان مصرفی کارخانه، فیلتر هارمونیک یا سلف شما بسیار بزرگ خواهد شد و در اندازه های یک ترانسفورماتور قرار خواهد گرفت و همچنین هزینه بسیار بالایی را برای شما خواهد داشت.
      پیشنهاد الیکا الکتریک این است که با کمک دستگاه های پاور آنالایزر یا پاورمتر و نصب آنها در تابلوهای فرمان هر بخش، میزان هارمونیک هر قسمت را جداگانه اندازه گیری کنید. اگر هارمونیک در بعضی از قسمت های کارخانه آنچنان زیاد نباشد، برای آن قسمت فیلتر نیازی ندارید. اما اگر میزان هارمونیک زیاد بود، در همان تابلو یک فیلتر هارمونیک نصب نمایید. اندازه آن را یک سایز بیشتر از توان مصرفی آن قسمت در نظر بگیرید.
      یک مطلب کلی هست خطوطی که در آن مدارات الکترونیکی سوئیچینگ استفاده شده، بیشترین هارمونیک را تشکیل می دهند. معمولاً هر فیلتر ۵۰٪ هارمونیک را کاهش می‌دهد. برای مکان های حساس، هارمونیک باید بین ۲ الی ۴ باشد و جاهای که حساسیت کمتری دارن بین ۳ الی ۵ باید باشد نه بیشتر. برای انتخاب سلف باید تعیین کنید که چقدر هارمونیک وجود دارد و در واقع چقدر باید باشد. آن وقت طبق اطلاعات بدست آمده، فیلتر چند طبقه طراحی و ساخته می شود.

      ۲۵ تیر ۱۳۹۹

نظرات