بررسی انواع روش های اصلاح انواع هارمونیک در برق
تداخل هارمونیک در سیستم‌های برق صنعتی، یک چالش مهم در مقابله با اثرات بارهای غیرخطی مانند درایورهای تنظیم سرعت و مبدل‌های الکترونیکی قدرت است. با پیشرفت فناوری و افزایش استفاده از این اجزا در شبکه برق، میزان هارمونیک در جریان‌ها و ولتاژها به طور چشمگیری افزایش یافته است. این وضعیت نیازمند راهکارهایی برای مدیریت و کنترل هارمونیک در سیستم‌های برق می‌شود.
یکی از راهکارهای مهم در مدیریت هارمونیک، استفاده از روش‌های اصلاحی متنوع است. این روش‌ها از جمله فیلترهای هارمونیک، اصلاحگرهای فراهم آورنده‌ی هارمونیک، و تجهیزات تنظیم ولتاژ هارمونیک را شامل می‌شوند. هدف این روش‌ها، کاهش میزان هارمونیک و بهبود کیفیت توزیع برق در سیستم است.
برخی از راهکارها ممکن است به دلیل محدودیت‌ها و شرایط خاص محیط، موجب هزینه‌های افزایشی شوند. به همین دلیل، در انتخاب و اجرای راهکارهای اصلاحی باید به دقت به موارد فنی و اقتصادی توجه شود. این نوشتار به بررسی جزئیات و انواع این راهکارها می‌پردازد تا به مهندسان و تصمیم‌گیران در زمینه برق کمک کند تا از بهترین راهکارها برای مدیریت هارمونیک در سیستم‌های برق استفاده کنند.
توضیح هارمونیک به زبان ساده
در شبکه‌های مدرن با فشار ضعیف، مصرف‌کنندگان زیادی وجود دارند که از شبکه، جریان غیرسینوسی به دنبال دارند. این جریان‌ها به دلیل امپدانس شبکه باعث ایجاد افت ولتاژ می‌شوند که منجر به تغییر شکل ولتاژ سینوسی شبکه می‌گردد.
این اثرات می‌توانند طبق بسط فوریه به هارمونیک پایه (اصلی) و تجزیه تک تک هارمونیک‌ها شوند. هارمونیک‌ها فرکانس‌های مضرب صحیحی از فرکانس پایه را نمایش می‌دهند و با حرف n یا v مشخص می‌شوند.
با استفاده از هارمونیک‌ها، می‌توان هر شکل موج پریودیک را نمایش داد. به عبارت دیگر، با استفاده از تبدیل فوریه، هر تابع متناوب با دوره تناوب T را می‌توان به صورت مجموعی از مؤلفه‌های زیر نمایش داد:
- یک مؤلفه سینوسی با همان دوره تناوب T.
- تعدادی مؤلفه سینوسی با فرکانس‌هایی که ضرایب صحیح فرکانس مؤلفه اصلی هستند.
- یک مؤلفه ثابت با متوسط غیرصفر.
هارمونیک سوم و پنجم: مفهوم و تأثیرات
هارمونیک پایه، مؤلفه سینوسی با فرکانس مشابه شکل موج اصلی است که در زبان ساده به هارمونیک پایه معروف است. مؤلفه‌هایی که فرکانس آنها n برابر فرکانس هارمونیک پایه است، به عنوان هارمونیک n ام شناخته می‌شوند. وقتی تبدیل فوریه روی یک موج سینوسی خالص اعمال می‌شود، به جز هارمونیک پایه، هیچ هارمونیک دیگری به وجود نمی‌آید.
حضور هارمونیک در سیستم نشانگر اعوجاج در شکل موج ولتاژ یا جریان نسبت به حالت سینوسی است. این اعوجاج ممکن است باعث عملکرد نادرست تجهیزات یا حفاظت‌ها شود. همچنین، هارمونیک سوم و پنجم نشان‌دهنده افتراق این مؤلفه‌ها است.
با بهره‌گیری از سری فوریه و تعیین مؤلفه‌ها، می‌توان شکل موج‌های غیرخطی را تجزیه و تحلیل کرد. شکل زیر تصویری از یک شکل موج غیرخطی و هارمونیک‌های آن را به نمایش می‌گذارد. این تحلیل ارتباط میان اجزای مختلف شکل موج و تأثیرات هارمونیک را به وضوح نشان می‌دهد.
تولید امواج هارمونیک: ریشه‌ها و اثرات
امواج هارمونیک به واسطه حضور بارهای غیرخطی ایجاد می‌شوند. هنگامی که یک موج ولتاژ سینوسی به این بارها اعمال می‌شود، جریان آنها شکل موجی غیرسینوسی به خود می‌گیرد.
هر شکل موج غیرسینوسی را می‌توان با تجزیه به مؤلفه‌های سینوسی آن معلوم کرد. اگر امپدانس شبکه کم باشد، اعوجاج ولتاژ به دلیل جریان غیرسینوسی به طور طبیعی کمتر خواهد بود. با این حال، در موارد نادرتاً می‌تواند سطح اعوجاج ولتاژ در شبکه از حد تعیین شده بالاتر برود.
با وجود اینکه جریان ممکن است دچار اعوجاج شود، معمولاً می‌توان ولتاژ را به طور قابل توجهی سینوسی فرض کرد. بسیاری از تجهیزات الکترونیکی در منابع تغذیه خود برش‌هایی از شکل موج سینوسی جریان ایجاد کرده و از این راه مقدار rms مورد نیاز را تولید می‌کنند.
این مسئله باعث می‌شود که جریان ورودی آنها به فرم غیرسینوسی درآید. بارهای غیرخطی، از جمله بوبین‌ها، یکسوکننده‌ها، ترانسفورماتورها، دستگاه‌های UPS، کوره‌های با قوس الکتریکی و القایی، مبدل‌های AC/DC و DC/DC، درایوهای سرعت متغیر و سایر دستگاه‌ها، اصلی‌ترین تولیدکنندگان هارمونیک هستند.
برخی از این بارها باعث افزایش عدم تقارن، اعوجاج در ولتاژ، خطا در ارتباطات، کاهش ضریب توان، خطای اندازه‌گیری، کاهش توان موتورها، تشدید سری و موازی، خطا در انتخاب کابل قدرت، افزایش درجه حرارت و اضافه بار در ترانسفورمرها می‌شوند.
با توجه به تعداد زیاد مصرف‌کنندگان اینگونه بارها، جریان‌های هم‌فاز آنها در ساعات شب در برخی از شبکه‌های ولتاژ، رزونانس پدید می‌آید. این امور عمدتاً ناشی از وجود پل‌های یکسوکننده در داخل این تجهیزات است که در آنها سوئیچ‌های نیمه‌هادی فقط برای پریود خاصی از زمان، جریان را هدایت می‌کنند و ناپیوستگی‌هایی که به این ترتیب در شکل موج جریان ایجاد می‌شود، باعث تولید هارمونیک می‌شود.
همچنین، ترانسفورمرها می‌توانند آلودگی هارمونیکی تولید کنند. اگر یک موج کاملاً سینوسی ولتاژ به ترانسفورمر اعمال شود، هر چند شکل موج شار حاصله نیز سینوسی است اما به دلیل وجود پدیده اشباع مغناطیسی در هسته ترانس، شکل موج جریان مغناطیس‌کننده غیرسینوسی خواهد بود.
تأثیرات هارمونیک در سیستم برق
کیفیت برق برای شرکت‌ها و مصرف‌کنندگان انرژی الکتریکی امری بسیار حیاتی است. ابزارهای مدرن مانند کامپیوترها، لوازم الکتریکی و کنترل‌کننده‌های صنعتی به شدت حساس به نوع وجود هارمونیک در سیستم برق هستند.
در طرف دیگر، استفاده از ابزارهای تولید اغتشاش در سیستم قدرت، از جمله منابع الکترونیک قدرت و کنترل دور موتورها، به صورت گسترده‌تری رواج یافته است. هارمونیک‌ها نقض در شکل موج سینوسی را نمایان می‌سازند، اما تخریب کامل شکل موج تنها در فرکانس‌های مضارب اصلی رخ می‌دهد.
این نوسانات دوره‌ای را می‌توان با تجزیه و تحلیل فوریه در فرکانس‌های مختلف (مضارب اصلی) شناسایی کرد. اندازه‌گیری و شناسایی این امواج هارمونیک امکان‌پذیر است و با استفاده از ابزارهایی همچون پاورمتر یا پاورآنالایزر قابل انجام است.
جریان مغناطیس‌کننده که به صورت فوق تولید می‌شود، دارای هارمونیک‌های متعددی است که بزرگترین آنها هارمونیک سوم است. این نکته مهم است که جریان مغناطیس‌کننده خود نسبت به جریان نامی ترانس مقدار کمی دارد. بنابراین، اعوجاج تولید شده به هنگام بارگذاری ترانس‌ها اهمیت زیادی ندارد.
تأثیرات افزایش هارمونیک بر کاهش ضریب توان
گاهی اوقات، افزایش هارمونیک‌ها ممکن است منجر به کاهش ضریب قدرت شود، زیرا با ایجاد یک مؤلفه جدید به نام توان اعوجاج هارمونیک (D)، تأثیر مستقیمی بر ضریب توان دارد. در نتیجه، برای ارزیابی صحیح ضریب توان، باید این توان اعوجاج هارمونیک نیز مد نظر قرار گیرد که از رابطه زیر به دست می‌آید:
PF = P / S
- PF: ضریب توان
- S: توان ظاهری
- P: توان اکتیو
- D: توان اعوجاج هارمونیک
هارمونیک‌های زوج و فرد در سیستم‌های الکتریکی
در حال حاضر، هارمونیک‌های زوج و فرد و مرتبه ۳ با ضرایب فرکانس مختلف در سامانه‌های الکتریکی وجود دارند که تأثیر مستقیمی بر تجهیزات الکتریکی دارند. به طور کلی، هارمونیک‌های زوج و مرتبه ۳ سعی می‌کنند یکدیگر را باز نگه دارند.
اما در شرایطی که بار به‌طور نامتعادل است، هارمونیک‌های فرد اولیه، همانند هارمونیک‌های زوج و مرتبه ۳، به افزایش بار در نول و اتلاف شدید انرژی منجر می‌شوند. هارمونیک‌های فرد نظیر پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و … بر عملکرد تجهیزات الکتریکی تأثیر می‌گذارند. با توجه به افزایش اعوجاج هارمونیکی در شبکه‌های فشار ضعیف و متوسط، طراحی بانک‌های خازنی به چالشی پیچیده تبدیل شده است.
کنترل و ایمنی هارمونیک‌های پنجم تا یازدهم در شبکه‌های فشار ضعیف
تدابیری چون کنترل مداوم بر اساس کیفیت شبکه، اندازه‌گیری دقیق هارمونیک‌ها و اعلان هشدار در صورت افزایش آنها، از دستگاه‌های الکتریکی در شبکه‌های فشار ضعیف در مقابل اختلالات محافظت می‌کند. این اقدامات به موقعیت گیری و اتخاذ تدابیر لازم در مواجهه با اختلالات در شبکه و تجهیزات کمک می‌کند.
استفاده از رله اضافه جریان در جبران سازی‌های بدون راکتور، به عنوان یک روش حفاظتی برای افزایش بارها و جلوگیری از رزونانس‌های هارمونیکی عمل می‌کند. این رله سریع‌تر از فیوز سری عمل کرده و در مواقع اضافه بار بیش از ۷۵ ثانیه، جریان را قطع می‌کند.
تنظیم اتوماتیک تأخیر بر اساس نیاز توان، سرعت واکنش به تغییرات بار را افزایش داده و اطمینان حاصل می‌شود که خازن‌ها بعد از قطع به شبکه متصل شوند. این تنظیم به کاهش تعداد قطع و وصل و همچنین حفظ عمر طولانی‌تر اقدام می‌کند.
همچنین از وضعیت بحرانی شبکه جلوگیری می‌کند. با تغییرات سریع بار، توان خازن به دقت لازم را تنظیم می‌کند تا هارمونیک‌ها در تغییرات شدید بار افزایش نیابند.
در مواقع کاهش بار، از جبران سازی اضافی و طولانی ترانس‌های بی بار جلوگیری می‌شود. همچنین، فیلترها به سرعت هارمونیک‌ها را جذب کرده و از افزایش دامنۀ آنها در تغییرات شدید بار جلوگیری می‌کنند.
استفاده از رله ولتاژ صفر و جریان صفر نیز به ایمنی تجهیزات جبران سازی کمک می‌کند. این سیستم در صورت قطع مدار ولتاژ یا جریان، تجهیزات را از شبکه جدا می‌کند و در طول قطع کوتاه مدت ولتاژ، از وصل شدن خازن‌ها به ترانس بی بار جلوگیری می‌کند.
تنظیم توان راکتیو در مصرف‌کننده‌های دارای ژنراتور و امکان بازگشت توان اکتیو، از طریق رگولاتور با چهار ناحیه ای ممکن است. این تنظیمات مجزا می‌توانند با توجه به نیازهای توان و خطوط مختلف، برنامه‌ریزی شده و به حالت‌های مصرف و بازگشت توان اضافه جبران سازی کنند.
پله‌های ثابت نیز برای جبران سازی مستقل از بار، قابل تنظیم هستند و به مدتی که رگولاتور ولتاژ فعال است، به شبکه متصل می‌مانند. این اقدامات به حفاظت از تجهیزات و جلوگیری از اتلاف اضافه جریان کمک می‌کنند.
تأثیر امواج هارمونیک بر سیستم برق
هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق اثرات گوناگونی ایجاد می‌کنند. این اثرات می‌توانند تبدیل به مشکلاتی مهم برای تجهیزات و شبکه‌های برق شوند. مهم‌ترین مسائلی که به واسطه هارمونیک‌های جریان ایجاد می‌شوند عبارتند از:
۱– افزایش جریان در نول: این افزایش جریان می‌تواند منجر به افت ولتاژ و افزایش تلفات در تجهیزات شود.
۲- افزایش تلفات ترانسفورمرها: هارمونیک‌ها باعث افت توان فعال و افزایش تلفات در ترانسفورمرها می‌شوند.
۳– افزایش اثرات پوستی: همچنین، اثرات پوستی در تجهیزات الکتریکی نظیر کابل‌ها و تجهیزات مخابراتی نیز افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، مشکلات اساسی که به واسطه هارمونیک‌های ولتاژ پیش می‌آیند، عبارتند از:
۴– اعوجاج ولتاژ: این مسئله باعث ناپایداری ولتاژ می‌شود و تجهیزات حساس به تغییرات ولتاژ را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
۵- ناهمواری در گشتاور موتورهای القایی: هارمونیک‌های ولتاژ باعث ناهمواری در گشتاور موتورهای القایی می‌شوند و ممکن است عملکرد آنها را تحت تأثیر قرار دهند.
این مشکلات نشان‌دهنده اهمیت مدیریت و کنترل هارمونیک‌ها در سیستم‌های برق است. بهینه‌سازی و مدیریت مناسب می‌تواند اثرات منفی هارمونیک‌ها را به حداقل برساند و پایداری سیستم برق را افزایش دهد.
در ادامه به صورت مفصل در این رابطه صحبت خواهیم کرد:
تأثیر امواج هارمونیک در اضافه جریان در نول:
در سامانه‌های سه‌فاز متعادل ۴ سیمه که دارای نول هستند، اگر بارها متعادل باشند، جریان در سیم نول صفر است. با این حال، وقوع بارهای نامتعادل، مانند بارهای تک‌فاز یا دوفاز، باعث ایجاد جریان در سیم نول می‌شود.
در تصویر زیر، یک مجموعه جریان سه‌فاز نامتعادل نشان داده شده است، که دامنه جریان فاز سوم ۳۰ درصد بیشتر از دو فاز دیگر است. خط پررنگ نشان‌دهنده جریان نول در این سیستم است. در این شرایط، می‌توان استفاده از سیم نول با مقطع کوچکتر از سیم فاز را مد نظر قرار داد، اما با وجود بارهای غیرخطی، لازم است اثرات هارمونیک‌ها را با دقت بررسی کرد.
مقداری از هارمونیک‌ها، به ویژه هارمونیک سوم، با جمع کردن مؤلفه‌های آنها تقویت می‌شوند، در حالی‌که برخی از هارمونیک‌ها همواره هم فاز هستند. این ویژگی برای هارمونیک‌های دیگر با مضارب ۳ نیز روی می‌دهد (هم مضارب زوج و هم فرد، با اینکه مضارب فرد بیشتر در عمل دیده می‌شوند).
تأثیر امواج هارمونیک در افزایش تلفات ترانسفورمرها:
اثرات هارمونیک ها بر ترانسفورمرها اساساً به سه دسته قابل تقسیم است:
الف. تلفات هیسترزیس و فوکو: تلفات هیسترزیس با فرکانس هارمونیک مرتبط بوده و تلفات فوکو با مجذور آن ارتباط دارد.
ب. تلفات مس: در صورت افزایش فرکانس به بیش از ۳۵۰ هرتز، جریان در هادی‌ها به سمت سطح پیش می‌رود (اثر پوستی). در این حالت، سطح مقطع هادی باید کاهش یابد و تلفات مس به تبع آن افزایش می‌یابد.
ج. جریان های گردشی: اگر هارمونیک سوم و مضارب آن در سیم‌پیچ‌های به صورت مثلث به هم متصل باشد، جریان از سیم‌پیچ خارج نمی‌شود و در مسیر مثلث گردش می‌کند. این امر به دلیل هم‌فاز بودن سه جریان است. برای ترانسفورمرهایی که به این شکل سیم‌پیچ شده‌اند، نیاز به محاسبات دقیقتر در مورد ظرفیت نامی وجود دارد.
تقویت اثر پوستی در اثر هارمونیک جریان:
با افزایش فرکانس، جریان متمرکز به سطح هادی می‌پردازد، پدیده‌ای که به آن “اثر پوستی” معروف است. این اثر با افزایش فرکانس، بهبود می‌یابد و در فرکانس ۵۰ هرتز، به طور کلی ممکن است نادیده گرفته شود.
در فرکانس‌های بالای ۳۵۰ هرتز (هارمونیک‌های هفتم به بالا)، سطح مقطع هادی‌ها کاهش می‌یابد و تلفات مس افزایش می‌یابد. این مسئله بر عمر کابل‌ها تأثیرگذار است. استفاده از کابل‌های چند رشته یا باس‌هایی با شینهای جدا از یکدیگر، راهکاری برای کاهش این مسئله است.
اعوجاج ولتاژ در اثر هارمونیک ولتاژ:
جریان اعوجاج‌یافته توسط بارهای خطی، با عبور از امپدانس کابل‌ها، افت ولتاژ اعوجاج‌یافته تولید می‌کند. این ولتاژ به سایر بارهای شبکه اعمال شده و در نتیجه حتی در بارهای خطی نیز هارمونیک‌های جریان ایجاد می‌شود. جدا سازی بارهای هارمونیک‌زا از بارهای حساس به هارمونیک، راه حلی برای مقابله با این مسئله است.
نایکنواختی در گشتاور موتورهای القایی در اثر هارمونیک ولتاژ:
حضور هارمونیک‌های ولتاژ منجر به افزایش تلفات فوکو در موتورها و ترانسفورمرها می‌شود. این هارمونیک‌ها باعث تولید میدان‌های اضافی می‌شوند که سعی در گرداندن موتور با سرعت‌های مختلف دارند. همچنین، جریان‌های فرکانس بالا با القاء در روتور به افزایش تلفات منجر می‌شوند.
روش‌های بهینه‌سازی میزان هارمونیک در سیستم‌های الکتریکی:
- اصلاح اختلالات مخابراتی:
– برای کاهش هارمونیک‌های مخابراتی، از تجهیزات مخابراتی با کیفیت و سازگار با سیستم‌های الکتریکی مورد استفاده قرار بگیرد.
- افزایش کارایی وسایل:
– بهینه‌سازی و تنظیم وسایل مانند موتورها و دستگاه‌های الکتریکی باعث افزایش کارایی و کاهش تولید هارمونیک می‌شود.
- بهبود عملکرد وسایل کنترلی:
– ارتقاء و بهینه‌سازی وسایل کنترلی مانند PLC و رله‌ها به عنوان یک راهکار مؤثر برای کاهش هارمونیک‌ها در سیستم‌ها.
- مدیریت خازن‌ها و ماشین‌های الکتریکی:
– استفاده از تجهیزات با کیفیت و متناسب با نیازهای سیستم برای جلوگیری از تلفات اضافی در خازن‌ها و ماشین‌های الکتریکی.
- بهینه‌سازی سیستم‌های تولید کننده سیگنال:
– استفاده از تجهیزات و سیستم‌های تولید کننده سیگنال با تکنولوژی‌های مدرن و استانداردهای به‌روز برای کاهش هارمونیک‌ها.
روش‌های خاص برای کاهش هارمونیک:
- استفاده از مبدل‌های مولتی‌پالس:
– نصب مبدل‌های مولتی‌پالس با سطح هارمونیک پایین، به ویژه مبدل‌های مجهز به ترانسفورماتورهای تغییر فاز.
- تنظیمات مناسب مبدل‌ها:
– انجام تنظیمات دقیق بر روی مبدل‌ها به منظور کاهش سطح هارمونیک‌ها و بهینه‌سازی عملکرد آنها.
- تجهیزات با کیفیت:
– استفاده از تجهیزات با کیفیت و مطابق با استانداردهای برق برای جلوگیری از تولید هارمونیک.
- مدیریت حرارت سیستم:
– بهبود سیستم‌های خنک‌کننده به منظور کاهش تاثیرات حرارتی و هارمونیک در سیستم‌های الکتریکی.
- طراحی موثر سیستم الکتریکی:
– استفاده از روش‌ها و تکنیک‌های مدرن در طراحی سیستم‌های الکتریکی برای کاهش هارمونیک‌ها.
- آموزش و آگاهی:
– آموزش و آگاهی متخصصان و کاربران در مورد اهمیت مدیریت هارمونیک و استفاده صحیح از تجهیزات.
استفاده از این روش‌ها، بهینه‌سازی سیستم‌های الکتریکی را تضمین می‌کند و به کاهش میزان هارمونیک در شبکه الکتریکی کمک می‌کند.
کاهش هارمونیک با Active Front End و یکسوسازهای اکتیو:
استفاده از اینورترهای Active Front End (AFE) با یکسوسازهای اکتیو یک روش پیشرفته برای کاهش هارمونیک‌ها در سیستم‌های الکتریکی است. در این نوع مبدل، IGBT ها به جای دیودهای یکسو کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند، که منجر به کاهش قابل توجه هارمونیک‌ها می‌شود و سوئیچینگ به صورت الکترونیکی کنترل می‌شود. این فناوری امکان کاهش بهبودی موجود در شکل موج Total Harmonic Distortion (THD) جریان ورودی را به کمتر از ۵ درصد ارائه می‌دهد.
در این حالت، تأثیر هارمونیک‌ها به طور محسوسی کاهش یافته ولی باعث افزایش گرما و تولید حرارت می‌شود. بنابراین، نیاز به سیستم خنک‌کننده‌ای دارد تا این افزایش حرارت کنترل شود.
این راه‌حل به خصوص مناسب است زمانی که فضای محدودی برای نصب وجود دارد و همچنین هنگامی که آمادگی برای هزینه بیشتر در مقابل بهره‌وری و بهینه‌سازی عملکرد وجود دارد.
کاهش هارمونیک با فیلترهای پسیو:
استفاده از فیلترهای پسیو با مدارهای LC سری به عنوان یک راهکار مؤثر برای حذف هارمونیک‌ها در سیستم‌های الکتریکی مطرح است. این فیلترها از یک خازن و راکتور سری تشکیل شده‌اند که به صورت سری با بارهای غیر خطی ارتباط برقرار می‌کنند تا جریان‌های هارمونیکی خاص تولید شده را جذب نمایند.
مزایای این نوع فیلترها شامل مقرون به صرفه بودن، نصب و راه‌اندازی آسان، و قابلیت تنظیم به سادگی میباشد. هر فیلتر پسیو برای هر هارمونیک خاص باید به شکل خاصی تعریف و طراحی گردد. به عبارت دیگر، هر فیلتر پسیو به منظور کاهش یک فرکانس هارمونیک خاص به کار می‌رود.
معایب این فیلترها در این است که در صورت تغییر شرایط اعوجاج هارمونیک، انعطاف‌پذیری کمتری ارائه می‌دهند. زیرا نیازمند به اصلاحات هستند و با توجه به شرایط جدید، دستگاه نیاز به تنظیم دوباره دارد. همچنین، این نوع فیلترها با نصب به صورت سری با بار، افت ولتاژ اضافی به مدار اضافه می‌کنند که باید در طراحی به آن توجه شود.
حذف هارمونیک با استفاده از فیلتر خازنی:
فیلترهای اکتیو با بهره‌گیری از سوئیچینگ الکترونیکی قدرت، جهت تولید جریان‌های هارمونیک به کار گرفته می‌شوند که بتوانند جریان‌های هارمونیک موجود در سیستم را به بهترین شکل ممکن حذف نمایند. این گونه فیلترها به صورت موازی با بارهای غیرخطی نصب می‌شوند تا جریان فاز مخالف را به جریان هارمونیک موجود در سیستم وارد نمایند. با وجود گرانتر و پیچیده‌تر بودن در تنظیم و راه‌اندازی، فیلترهای اکتیو از دسته فیلترهایی هستند که به نقطه ای از پیچیدگی و بهره‌وری دست یافته‌اند.
از مزایای فیلترهای اکتیو، قابلیت حذف خودکار هارمونیک‌ها در یک شبکه با طیف گسترده‌ای از فرکانس‌ها به شمار می‌رود.
این فیلترها، سطح هارمونیک‌های شبکه را شناسایی می‌کنند و جریان مورد نیاز برای حفظ مقدار اعوجاج هارمونیک یا به عبارت دیگر Total Harmonic Distortion (THD) در حد پایین‌تر از میزان آستانه تعیین‌شده، تزریق می‌کنند.
انجام یک محاسبه دقیق برای انتخاب و تنظیم فیلتر، مطابق با نیازهای سیستم، امری بسیار حیاتی است. این نوع فیلترها همچنین می‌توانند به‌منظور تصحیح ضریب توان در هنگام عدم تخصیص بار کامل به کار گرفته شوند، زیرا این موضوع با کاهش محدودیت‌های هارمونیک همراه است.
برای حل مسائل مربوط به هارمونیک‌ها، از فیلترهای اکتیو می‌توان بهره گرفت. همان‌گونه که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، فیلترهای اکتیو به صورت موازی نزدیک به مصرف‌کننده و به صورت همزمان با آن به شبکه وصل می‌شوند. هدف اصلی این روش، تزریق هارمونیک‌های جریان (مطابق با هارمونیک‌های جریان بار) به نقطه اتصال است.
در این حالت، جریان مشتق شده از منبع برق به‌صورت خالی از هارمونیک خواهد بود. یکی از کاربردهای فرعی این فیلترها، جبران توان راکتیو است. به این صورت که علاوه بر تزریق جریان هارمونیکی، جریان راکتیو نیز به نقطه اتصال تزریق می‌شود و در واقع، مانند خازن، توان راکتیو مصرفی در شبکه به حداقل می‌رسد.
استفاده از خازن برای اصلاح ضریب توان
در تعرفه‌های چند قسمتی، استفاده از خازن در مدارها برای کاهش توان راکتیو و بهبود ضریب توان اجتناب‌ناپذیر است. اما در نصب خازن، لازم است هزینه‌های مصرف انرژی و هزینه نصب و راه‌اندازی خازن را در نظر گرفته و با توجه به این هزینه‌ها، ضریب توانی که اقتصادی‌ترین نتیجه را داشته باشد، انتخاب گردد. مسلماً در تعرفه‌های یک قسمتی، اهمیت ضریب توان اقتصادی ندارد، زیرا در این تعرفه، هزینه‌های مصرف انرژی راکتیو و جریمه بر اساس پایین بودن ضریب توان اعمال نمی‌شود. برای استفاده از خازنهای اصلاح ضریب توان، به موارد زیر نیاز است:
- اندازه‌گیری دقیق ضریب توان در شبکه‌های با هارمونیک بالا، در محدوده بار 0.02 تا 5 آمپر در مدار اندازه‌گیری و کنترل ضریب توان با دقت بالا بر اساس هارمونیک پایه حتی در بارهای کم.
- تثبیت ضریب توان به حداقل مقدار مطلوب و همزمان جلوگیری از افزایش جبران در بارهای کم.
بانک خازنی
با ایجاد یک مدار رزونانسی با تزریق یک بانک خازنی به همراه اندوکتانس‌های موجود در شبکه، جریان مؤثر واحدهای خازنی در شرایط تشدید به شدت افزایش می‌یابد. این افزایش جریان نیاز به نصب فیلترهای مناسب برای حفاظت از شبکه در برابر هارمونیک‌های ولتاژ و جریان را دارد.
هارمونیک‌های ولتاژ و جریان تأثیرات متفاوتی بر تجهیزات الکتریکی دارند و خازنهای قدرت در هارمونیک‌های ولتاژی و جریانی قابل آسیب پذیرند. به طور عمده، هارمونیک‌های جریان موجب تداخل مغناطیسی و افزایش اتلاف در شبکه‌های توزیع می‌شوند.
هارمونیک‌های جریان به بارها وابسته هستند، در حالی که سطح هارمونیک‌های ولتاژ به پایداری سیستم تغذیه و هارمونیک‌های بار (هارمونیک‌های جریان) بستگی دارد. به طور کلی، هارمونیک‌های ولتاژ کمتر از هارمونیک‌های جریان خواهند بود. تشدید سلفی-خازنی در تمام انواع بارها مشاهده می‌شود. اگرچه، اگر هارمونیک‌ها در شبکه توزیع وجود نداشته باشند، تأثیر تشدید کمتر خواهد بود.
در هر ترکیب سلفی-خازنی، سری یا موازی، تشدید در یک فرکانس خاص، یعنی فرکانس تشدید، رخ می‌دهد. این فرکانس تشدید فرکانسی است که در آن راکتانس خازنی (XC) و راکتانس القایی (XL) برابر هستند.
برای بارهایی که شامل اندوکتانس بار و یا راکتانس ترانسفورماتور که با XL نشان داده می‌شود، و راکتانس خازن برای تصحیح ضریب توان (که به صورت XC نشان داده می‌شود)، فرکانس تشدید برابر با LC خواهد بود. راکتانس خازنی متناسب با کاهش فرکانس است زیرا XC با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد.
رگولاتور توان راکتیو
رگولاتور توان راکتیو، با استفاده از تکنولوژی میکروپروسسوری، به حل مسائل پیچیده می‌پردازد و قابلیت‌های بسیاری نسبت به رگولاتورهای سنتی دارد. این دستگاه با نوآوری‌های خود به منظور پاسخگویی به نیازهای شبکه‌های صنعتی مدرن طراحی شده است و می‌توان آن را به صورت گسترده در انواع شرایط نصب کرد.
دقت و حساسیت بالای این دستگاه حتی در شبکه‌های با هارمونیک بالا قابل توجه است. این رگولاتور نه تنها به تنظیم جریان توان برعکس در شبکه‌های مداوم یا ناگهانی پاسخ می‌دهد بلکه جلوی ایجاد اضافه بار را نیز می‌گیرد. علاوه بر این، کنترل کامل بر تمامی اجزای یک بانک خازنی توسط این رگولاتور، به افزایش طول عمر تجهیزات کمک می‌کند.
ترانس جریان و مصرف درونی کابل‌های ترانس
برای اجرای بهینه رگولاتور توان راکتیو، نصب یک ترانس جریان ضروری است. این ترانس به‌طور همزمان با رگولاتور تأمین نمی‌شود، اما در صورت تقاضای مشتری، تحویل داده می‌شود. جریان اولیه ترانس بر اساس میزان جریان مصرف‌کننده تعیین می‌شود. نصب این ترانس بسته به حداکثر جریان بار و یا به عبارت دیگر، بسته به میزان بار نصب‌شده ترانس انجام می‌شود. اگر دستگاه‌های جریان به صورت سری با رگولاتور وصل شده باشند، ترانس با توان بالاتر باید مورد استفاده قرار گیرد.
مسدودکننده هارمونیک‌ها
برای اطمینان از عملکرد سالم خازن‌ها، لازم است فرکانس تشدید مدار LC (سلف-خازن)، شامل اندوکتانس بار و خازنهای اصلاح ضریب توان، به فرکانسی دور از کمترین فرکانس هارمونیک تنظیم شود.
به‌عنوان مثال، هارمونیک‌هایی که در سامانه تولید می‌شوند و خازنهای قدرت را تحت‌تأثیر قرار می‌دهند، هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و غیره هستند. پایین‌ترین هارمونیکی که بر خازن‌ها تأثیر می‌گذارد، هارمونیک پنجم است که در فرکانس ۲۵۰ هرتز ظاهر می‌شود.
ترکیب سری LC (سلف-خازن) در فرکانسی کمتر از ۲۵۰ هرتز تشدید می‌کند. بنابراین، در همه فرکانس‌های هارمونیک‌ها، ترکیب سری سلف و خازن به‌عنوان یک ترکیب سلفی عمل می‌کند و امکان تشدید برای هارمونیک پنجم یا هر هارمونیک بالاتری از بین می‌رود.
این ترکیب سلف و خازن که در آن فرکانس تشدید در فرکانسی دور از فرکانس هارمونیک تنظیم شده است، مدار LC (سلف-خازن) نامیده می‌شود. ضریب نامیزان سازی نسبت راکتانس به ظرفیت خازنی است. در مدار خازنی نامیزان‌شده، اساساً سلف مانند دستگاه مسدودکننده هارمونیک‌ها عمل می‌کند. برای خازن‌ها، ضریب مناسب نامیزان‌سازی حدود ۷ درصد است که فرکانس تشدید را در ۱۸۹ هرتز تنظیم می‌کند.
نامیزان‌سازی ۶۷.۵ درصد همچنین در جایی استفاده می‌شود که فرکانس تشدیدی معادل ۲۱۰ هرتز دارد. نامیزان‌سازی ۱۴ درصد فرکانس تشدیدی معادل ۱۳۴ هرتز دارد (در فرکانس ۵۰ هرتز). این مقدار نامیزان‌سازی برای حذف هارمونیک سوم نیز مؤثر است.
هر سه درجه نامیزان‌سازی، مسدود کردن (بلوکه کردن) هارمونیک‌ها از خازن‌ها را تضمین می‌کنند. هنگام طراحی بانک‌های نامیزان‌سازی خازن، نیازمند آن هستند که با نکات اساسی زیر مشخص شوند:
۱. محاسبه خازن کل خروجی مورد نیاز
۲. انتخاب درجه نامیزان‌سازی (۵.۶۷ درصد – ۷ درصد – ۱۴ درصد)
۳. محاسبه افزایش ولتاژ به وسیله سلف‌های سری که در انتخاب ولتاژ خازن مؤثر است.
(درجه نامیزان‌سازی-۱) / (ولتاژ شبکه) = ولتاژ خازن انتخابی درجه نامیزان‌سازی مطلوب بر پایه هارمونیک موجود است.
لازم است که هارمونیک‌های سمت بار اندازه‌گیری شوند تا در درجه نامیزان‌سازی تصمیم‌گیری شود.
در مقاله فوق، به بررسی روش‌های مختلف کاهش هارمونیک‌ها در شبکه‌های الکتریکی پرداختیم. از روش‌های مبتنی بر استفاده از فیلترهای اکتیو گرفته تا ترکیب‌های مختلف سلف و خازن در مدارهای LC، این راهکارها به منظور کاهش هارمونیک‌ها و بهبود کیفیت توان در شبکه‌های الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
استفاده از فیلترهای اکتیو، تنظیم فرکانس تشدید در مدارهای LC، و مسدودکننده هارمونیک‌ها با تعیین درجه نامیزان سازی خازن‌ها، راهکارهایی هستند که با ارائه تنظیمات دقیق و محاسبات مهندسی، می‌توانند به کاهش نویزهای هارمونیکی و بهبود عملکرد شبکه‌های الکتریکی کمک کنند.
همچنین، بررسی مزایا و معایب هر روش، نکات مهمی را برای انتخاب بهینه‌ترین راهکار با توجه به نیازهای خاص هر شبکه فراهم می‌آورد. انتخاب مناسب‌ترین روش بر اساس نیازهای شبکه و مشخصات بار، اهمیت زیادی در بهبود کیفیت توان و جلوگیری از اثرات مخرب هارمونیک‌ها دارد.
با بهره‌گیری از این رویکردها و ابزارها، مدیران و مهندسان شبکه می‌توانند بهبودی در کارایی و پایداری سیستم‌های الکتریکی خود را تجربه کرده و مشکلات احتمالی ناشی از هارمونیک‌ها را به حداقل برسانند.
