اثر هامونیک بر خازن

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: اصولا هارمونیک‌ها آلوده سازی شکل موج را در اشکال سینوسی آن‌ها نشان می‌دهند. ولی فقط در مضارب فرکانس اصلی. تخریب شکل موج را می‌توان در فرکانس‌های مختلف (مضارب فرکانس اصلی) بعنوان یک نوسان دوره‌ای بوسیله آنالیز فوریه تجزیه و تحلیل کرد. در حال حاضر هارمونیکهای فرد و زوج و مرتبه ۳ در اندازه‌های مختلف ضرایب فرکانس‌های مختلف در سامانه‌های الکتریکی موجودند که مستقیما تجهیزات سامانه الکتریکی را متاثر می‌سازند. در معنایی وسیعتر هارمونیکهای زوج و مرتبه ۳ هریک تلاش می‌کنند که دیگری را خنثی نمایند.

 

ولی در مدت زمانی که بار نا متعادل است این هارمونیک‌های زوج و مرتبه ۳ منجر به اضافه بار در نول و اتلاف انرژی شدید می‌شوند. با تمام احوال هارمونیک‌های فرد اول مانند هارمونیک پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و. عملکرد این تجهیزات الکتریکی را تحت تاثیر قرار می‌دهند. برای فهم بهتر تاثیر هارمونیک‌ها، شکل زیر تاثیر تخریب هارمونیک پنجم بر شکل موج سینوسی را نشان می‌دهد:

هارمونیک‌های ولتاژ و جریان تاثیرات متفاوتی بر تجهیزات الکتریکی دارند. ولی عموما بیشتر تجهیزات الکتریکی به هارمونیکهای ولتاژ بسیار حساس اند. تجهیزات اصلی نیرو مانند موتورها، خازن‌ها و ... بوسیله هارمونیکهای ولتاژ متاثر می‌شوند. به طور عمده هارمونیکهای جریان موجب تداخل مغناطیسی (Magnetic Interfrence) و همچنین موجب افزایش اتلاف در شبکه‌های توزیع می‌شوند. هارمونیکهای جریان وابسته به بار اند، در حالی که سطح هارمونیکهای ولتاژ به پایداری سامانه تغذیه و هارمونیکهای بار (هارمونیکهای جریان) بستگی دارد. عموما هارمونیک‌های ولتاژ از هارمونیک‌های جریان کمتر خواهند بود.

تشدید:

اساسا تشدید سلفی – خازنی در همه انواع بار‌ها مشاهده می‌شود. ولی اگر هارمونیک‌ها در شبکه توضیع شایع نباشند تاثیر تشدید فرونشانده می‌شود.

در هر ترکیب سلفی – خازنی چه در حالت سری و چه در حالت موازی، در فرکانسی خاص تشدید رخ می‌دهد که این فرکانس خاص فرکانس تشدید نامیده می‌شود. فرکانس تشدید فرکانسی است که در آن رآکتانس خازنی (Xc) و رآکتانس القایی (XL) برابر هستند.

برای ترکیبی مثالی برای بار صنعتی که شامل اندوکتانس بار و یا رآکتانس ترانسفورماتور که بعنوان XL عمل می‌کند و رآکتانس خازن تصحیح ضریب توان که بصورت Xc خودنمایی می‌کند فرکانس تشدیدی برابر با LC خواهیم داشت. رآکتنس خازنی متناسب با فرکانس کاهش می‌یابد (توجه: Xc با فرکانس نسبت عکس دارد). در حای که رآکتنس القایی متناسب با آن افزایش می‌یابد (توجه: 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 برای اصلاح ضریب توان پیچیده‌تر است. برای درک صحیح این پدیده لازم است دو نوع وضعیت تشدید شامل حالت تشدید سری و حالت تشدید موازی مورد توجه قرار گیرند. این دو امکان در زیر توضیح داده می‌شوند.

تشدید سری:

یک ترکیب سری رآکتنس سلفی – خازنی، مدار تشدید سری شکل می‌دهد که در شکل زیر نشان داده شده است.



به خاطر ترکیب سری سلف و خازن، در فرکانس تشدید امپدانس کل به پایین‌ترین سطح کاهش می‌یابد و این امپدانس در فرکانس تشدید طبیعتی مقاومتی دارد. بنا براین در فرکانس تشدید رآکتنس خازنی و رآکتنس سلفی (القایی) برابر هستند. این امپدانس پایین برای توان ورودی در فرکانس تشدید، افزایش توانی جریان را نتیجه می‌دهد. شکل داده شده زیر رفتار امپدانس خالص در وضعیت تشدید سری را نشان می‌دهد.



در کاربری صنعتی رآکتنس ترانسفورماتور قدرت به علاوه خازنهای اصلاح ضریب توان در سمت ولتاژ پایین به عنوان یک مدار تشدید موازی برای سمت ولتاژ بالای ترانسفورماتور عمل می‌کند. اگر این فرکانس تشدید ترکیب سلف و خازن بر فرکانس هارمونیک شایع در صنعت منطبق شود، بخاطر بستری با امپدانس پایین ارائه شده توسط خازن‌ها برای هارمونیک‌ها، منجر به افزایش توانی جریان خازن‌ها خواهد شد. از این رو خازن‌های ولتاژ پایین در سطحی بسیار بالا اضافه بار پیدا خواهند کرد که همچنین این عمل موجب تحمیل بار اضافی بر ترانسفورماتور می‌شود. این پدیده منجر به تخریب ولتاژ در شبکه ولتاژ پایین می‌شود.

تشدید موازی:

یک تشدید موازی ترکیبی از رآکتنس خازنی و القایی است که در شکل زیر نمایش داده شده است.

در اینجا رفتار امپدانس برعکس حالت تشدید موازی خواهد بود که در شکل داده شده در زیر، نشان داده شده است. در فرکانس تشدید امپدانس منتجه مدار به مقداری بالا افزایش می‌یابد. این، منجر به بوجود آمدن مدار تشدید موازی میان خازن‌های اصلاح ضریب توان و اندوکتانس بار می‌شود که نتیجه آن عبور ولتاژ بسیار بالا هم اندازه امپدانس‌ها و جریان‌های گردابی بسیار بالا درون حلقه خواهد بود.




در کاربری صنعتی خازن اصلاح ضریب توان مدار تشدید موازی با اندوکتانس بار تشکیل می‌دهد. هارمونیک‌های تولید شده از سمت بار رآکتنس شبکه را افزایش می‌دهند. که موجب بلوکه شدن هارمونیک‌های سمت تغذیه می‌شود. این منجر به تشدید موازی اندوکتانس بار و اندوکتانس خازنی می‌شود. مدار LC (سلفی – خازنی) مواز‌ی، شروع به تشدید میان آن‌ها می‌کند که منجر به ولتاژ بسیار بالا و جریان گردابی بسیار بالا در درون حلقه مدار سلف – خازن (LC) می‌شود. نتیجه این امر آسیب به تمام سمت ولتاژ پایین سامانه الکتریکی است.

ایزوله کردن تشدید موازی از ایزولاسیون تشدید سری نسبتا پیچیده‌تر است. اساسا این امر بخاطر تنوع بار صنعتی از زمانی به زمان دیگر است که موجب تغییر فرکانس تشدید می‌شود. شکل زیر تاثیر ظرفیت خازنی ثابت و اندوکتانس متغیر را نشان می‌دهد.

این تغییر مداوم فرکانس تشدید ممکن است موجب تطبیق فرکانس تشدید بر فرکانس هارمونیک شود که ممکن است منتج به ولتاژ بالا و جریان بالا که سبب نقص و خرابی تجهیزات الکتریکی می‌شوند، گردد. بنا بر این در هر دو تشدید موازی و سری خازنهای قدرت متاثر هستند که بکار گیری دستگاه‌های حفاظتی و ایمنی را برای خازن‌ها ایجاب می‌نماید. این امر درک صحیح بر خازنهای قدرت را قبل از از اعمال تصحیح بخاطر تاثیر هارمونیک‌ها و تشدید ایجاب می‌نماید.

خازنهای قدرت:

خازنهای اصلاح ضریب توان نسبت به هارمونیک‌ها حساس اند و بیشتر عیوب خازنهای قدرت، عیوبی با طبیعت زیر را نشان می‌دهند:

هارمونیک‌ها – هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و ...

تشدید

اضافه ولتاژ

امواج کلید زنی

جریان هجومی

ولتاژ آنی بازگیری جرقه

تخلیه / بازبست ولتاژ

بسته به طراحی ساختاری اساسی، حدود پایداری در مقابل اضافه ولتاژ، اضافه جریان و هارمونیک‌ها برای دور کردن خازن از خرابی بسیار مهم است.

اساسا خازن‌ها امواج کلید زنی تولید می‌کنند که عموما به عنوان جریان هجومی و اضافه ولتاژ آنی دسته بندی می‌شوند.

جریان هجومی پدیده‌ای است که هنگام به مدار وصل کردن خازن‌ها رخ می‌دهد. امپدانس ارائه شده توسط خازن طبیعتا بسیار کم و مقاومتی است. این امر منجر به جریان هجومی به بزرگی ۵۰ تا ۱۰۰ برابر جریان اسمی می‌شود که از خازن عبور می‌کند، اما چرا از خازن؟ زیرا امپدانس ترانسفورماتور در زمان روشن کردن خازن‌ها فقط در مقابل شار جریان مقاومت می‌کند.

این امر هنگامی پیچیده‌تر می‌گردد که در ترکیب موازی بانک خازنی ممکن است جریان هجومی کلید زنی به سطحی بالاتر از ۲۰۰ تا ۳۰۰ برابر جریان اسمی برسد. این جریان هجومی نتیجه تخلیه خازن‌های از پیش شارژ شده موازی با آن می‌باشد. در زیر این مطلب نشان داده شده است. نوعا جریان هجومی علاوه بر تخریب در شکل موج جریان سبب تخریب در شکل موج ولتاژ می‌شود.



در هنگام خاموش کردن (از مدار خارج کردن) خازن‌ها، بسته به شارژ ذخیره شده در آن، اضافه ولتاژ ناگهانی بالاتری در زمان خاموش کردن خازن‌ها بوجود خواهد آمد که ممکن است موجب پدید آمدن جرقه در پایه‌ها شود.

هنگامی که خازن خاموش می‌شود شار الکتریکی در خود نگه می‌دارد و بوسیله مقاومتهای تخلیه، تخلیه (Discharge) می‌شود. مدت زمان تخلیه عموما بین ۳۰ تا ۶۰ ثانیه می‌باشد. تا زمانی که تخلیه بشکل موثری صورت نگرفته نمی‌توان خازن‌ها را به مدار باز گرداند. هرگونه بازبست خازن قبل از تخلیه کامل دوباره موجب افزایش جریان هجومی می‌شود.

علاوه بر دستگاه‌های مسدود کننده هارمونیک‌ها که با صحت خازن‌ها نسبت مستقیم دارند، و در سر خط بعدی تشریح می‌شوند، دستگاه‌های تحلیل برنده امواج کلید زنی مثل جریان هجومی، اضافه ولتاژ آنی و ... نیاز دارند که بطور دقیق تعریف و بررسی شوند.

دستگاه‌های مسدود کننده هارمونیک ها:

برای کاربری سالم خازن‌ها لازم است که فرکانس تشدید مدار LC (سلف – خازن) که شامل ادوکتانس بار و خازنهای اصلاح ضریب توان می‌شود، به فرکانسی دور از کمترین فرکانس هارمونیک تغییر داده شود. برای مثال هارمونیک هایی که در سامانه تولید می‌شوند و خازن‌های قدرت را متاثر می‌سازند، هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و ... هستند. پایین‌ترین هارمونیکی که بر خازن‌ها تاثیر می‌گذارد هارمونیک پنجم است که در فرکانس ۲۵۰ هرتز دیده می‌شود. اساسا اگر خازن‌ها با سلف‌ها موازی شده باشند، انتخاب مقدار اندوکتانس به شکل زیر است:

ترکیب سری LC (سلف – خازن) در فرکانسی زیر ۲۵۰ هرتز تشدید می‌کند. 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 می‌رود. شکل زیر نامیزان سازی (De – Tuning) خازن‌ها را نشان می‌دهد.


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 نا میزان سازی نسبت رآکتنس به طرفیت خازنی است. در مدار خازنی نامیزان شده، اساسا سلف مانند دستگاه مسدود کننده هارمونیک‌ها عمل می‌کند. برای خازن‌ها ضریب مناسب نامیزان سازی حدود % ۷ است که فرکانس تشدید را در ۱۸۹ هرتز تنظیم می‌کند.

اما، نامیزان سازی % ۵. ۶۷ همچنین در جایی استفاده می‌شود که فرکانس تشدیدی معادل ۲۱۰ هرتز دارد. هر دو درجه نامیزان سازی، مسدود کردن (بلوکه کردن) هارمونیک‌ها از خازن‌ها را تضمین می‌کنند. شکل زیر درجه نامیزان سازی را نمایش می‌دهد.

 

 

بانک‌های نامیزان سازی خازن:

بانک‌های نامیزان سازی خازن نیازمند آن هستندکه با نکات اساسی زیر مشخص شوند:

انتخاب درجه نامیزان سازی

محاسبه خازن کل خروجی مورد نیاز

محاسبه افزایش ولتاژ بوسیله سلف‌های سری

درجه نامیزان سازی مطلوب بر پایه هارمونیک موجود است. لازم است که هارمونیک‌های سمت بار اندازه گیری شوند تا در درجه نامیزان تصمیم گیری شود.

خروجی خازن و سطح ولتاژ نیاز به انتخاب صحیح بر اساس درجه نامیزان سازی دارند. برای مثال برای % ۷ نامیزان سازی برای رسیدن به ۲۰۰ کیلو ولت آمپر رآکتیو خروجی (KVAR) در ۴۰۰ ولت، نیاز به آن داریم که خازن ۲۴۰ KVAR خروجی با ولتاژ ۴۰۰ ولت انتخاب نماییم. این بدلیل افزایش ولتاژ بوسیله اندوکتانس سری است. مشاب‌ها برای رسیدن به ۲۰۰ KVAR خروجی در ولتاژ ۴۴۰ ولت به خازن‌های ۲۴۰ KVAR خروجی ۴۸۰ ولتی نیاز است.

محاسبه افزایش ولتاژ به سبب رآکتنس سری، بر اساس نامیزان سازی است و به روش زیر انجام می‌گیرد:

(درجه نامیزان سازی – ۱) / (ولتاژ نرمال مجاز) = ولتاژ خازن

سامانه خازنی ایده آل:

برای تصحیح ضریب توان در بار صنعتی کنونی که شامل هارمونیک‌ها و تشدید می‌شود، یک سامانه اتصال خازنی اساسا باید خصوصیات زیر را دارا باشد:

ظرفیت خازنی متغیر بر اساس توان رآکتیو برای دوری از تغییر فرکانس تشدید. این امر انتخاب صحیح پنل‌های APFC را ممکن می‌سازد. پنل APFC باید خصوصیات زیر را داشته باشد.

حسگر‌ها باید به طور مداوم سطح هارمونیک‌های ولتاژ را نمایش دهد و خازن‌ها را تحت زیر سطوح بالاتر هارمونیک‌ها محافظت نماید.

انتخاب محدوده هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و همچنین شناخت تخریب همه هارمونیک‌ها برای تنظیم حدود ایمن و همچنین پیش بینی تغییرات بعدی هارمونیک ها.

مونیتورینگ جریان RMS برای محافظت خازن‌ها تحت هر حالت تشدید.

کنترل مشخصات، برای دوری از بکارگیری ظرفیت مازاد خازنی تحت حالت کم بار.

انتخاب خازن با عمر بالا و با تضمین مشخصات زیر:

ظرفیت اضافه بار: حداقل دو برابر جریان اسمی به طور مداوم و ۳۵۰ برابر آن هنگام جریان هجومی.

قابلیت پایداری در مقابل اضافه ولتاژ:بیشتر از % ۱۰ و بالاتر از ولتاژ مجاز بصورت پیوسته.

قابلیت پایداری در مقابل هارمونیک‌ها: تضمین محدوده‌های هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و همچنین برای محدوده‌های THD.

مدار سلفی De – Tuned برای مسدود کردن هارمونیک‌ها (الگوی هارمونیک بار باید قبل از تعیین درجه نامیزان سازی (De – Tuning) اندازه گیری شود).

انتخاب سطح خازن و سطح ولتاژ براساس درجه نامیزان سازی.

دستگاه‌های کلیدزنی با تقلیل دهنده‌های داخلی برای تقلیل امواج کلید زنی برای خازن‌های قدرت.

اساسا این خصوصیات با مطالعه متناسب هارمونیک‌های ولتاژ بار همراه است که تضمین می‌کند که تاثیر مخرب هارمونیک‌ها و تشدید از خازن‌ها دور شود که بدین وسیله عمر خازن‌ها و کارایی کل سامانه الکتریکی را افزایش می‌دهد.