کد خبر: ۳۹۲۸۷
تاریخ انتشار: ۱۵:۵۱ - ۱۰ مهر ۱۳۹۸
اعوجاج در شکل موج جریان بار هر دستگاه غیرخطی باعث تغییرات مشابه در شکل موج ولتاژ نسبت به امپدانس هارمونیک شبکه منبع می‌شود. این اعوجاج ولتاژ هم بر روی جریان و هم بر روی ولتاژ تمام بار‌های دیگر متصل به سیستم تأثیر می‌گذارد. در این مقاله اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی را بررسی می‌شود.
سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، اعوجاج در شکل موج جریان بار هر دستگاه غیرخطی باعث تغییرات مشابه در شکل موج ولتاژ نسبت به امپدانس هارمونیک شبکه منبع می‌شود. این اعوجاج ولتاژ هم بر روی جریان و هم بر روی ولتاژ تمام بار‌های دیگر متصل به سیستم تأثیر می‌گذارد.

اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی به شرح زیر است:

موتور‌ها و ژنراتور‌ها
ترانسفورماتور
خازن‌ها
کابل‌های قدرت
تجهیزات الکترونیکی
تابلو برق و رله‌ها
فیوز‌ها
تداخل در سیستم‌های ارتباطی

۱- موتور‌ها و ژنراتور‌ها

ژنراتور‌ها و موتور‌ها از طریق وجود هارمونیک‌ها در شبکه‌هایی که به آن‌ها متصل هستند، به شدت تحت تاثیر مخرب قرار می‌گیرند. اثرات معمول عبارتند از:

افزایش حرارت به دلیل تلفات آهن و مس در فرکانس‌های هارمونیکی
ایجاد صدای بیشتر به خاطر وجود هارمونیک در مقایسه با تحریک کاملا سینوسی
ایجاد جریان‌های هارمونیکی در روتور

جریان‌های هارمونیک ذکر شده در بالا به علت وجود هارمونیک در سیم پیچ استاتور ایجاد می‌شوند، که جریان‌های هارمونیکی در روترو تولید می‌کنند به عنوان مثال، هارمونیک‌های مرتبه ۵ و ۷ استاتور، هارمونیک‌های مرتبه ۶ را در روتور تولید می‌کنند، در حالی که هارمونیک‌های مرتبه هفتم و هشتم استاتور، هارمونیک‌های مرتبه ۱۲ را در روتور تولید خواهند کرد.

این جریان‌های هارمونیکی روتور باعث افزایش گرما و گشتاور‌های ضربه‌ای و کاهش گشتاور می‌شوند.

لازم به ذکر است که عدم تعادل سیستم (نا متعادلی‌های پایدار یا خطا‌های زمین)، شناخته شده به عنوان جریان‌های توالی منفی، همچنین می‌تواند در روتور به عنوان جریان هارمونیک تاثیر بگذارند، که به موارد ذکر شده در بالا اضافه می‌شوند


ژنراتور‌ها همچنین می‌توانند هارمونیک تولید کنند و به ویژه هارمونیک‌های ضریب سه که می‌تواند از طریق ترانسفورماتور مجاور Wye زمین شده هنگامی که ژنراتور‌ها به طور مستقیم به یک باس بار متصل می‌شود جریان پیدا کنند. استفاده از ترانسفورماتور ژنراتور با اتصال مثلث می‌تواند این جریان‌های هارمونیک را کنترل کند.

۲- ترانسفورماتور

ضریب تلفات سرگردان (stray-loss factor) برای هادی‌های مس با توان ۲ جریان بار و فرکانس متناسب است و بنابراین با وجود هارمونیک در منبع ولتاژ افزایش پیدا می‌کند. اگرچه درصد سهم اعوجاج‌های هارمونیک‌های بالاتر با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد، اثر گرمایش آن ها، حتی اگر درصد هارمونیک پایین باشد، می‌تواند به طور قابل توجهی افزایش پیدا کند.

هارمونیک‌های تولید شده توسط بار‌های غیرخطی مانند درایو‌های فرکانس متغیر (VFD) جریان‌های غیر سینوسی را بر روی ترانسفورماتور‌های قدرت که چنین بار‌هایی را تامین می‌کند، ایجاد می‌کنند. در نتیجه افزایش قابل توجهی در تلفات و افزایش دما را خواهیم دید.

با اضافه شدن جریان‌های هارمونیکی، ترانسفورماتور استاندارد باید، به منظور محدود کردن افزایش درجه حرارت به مقدار کلاس حرارتی عایق ترانسفورماتور، باید دیریت شوند (توان نامی آن‌ها باید در ضریب کاهش توان ضرب شود تا بتواند گرمای ناشی از هارمونیک را تحمل کند در واقع به خاطر وجود هارمونیک توان ترانسفورماتور کاهش می‌یابد) یا ترانسفورماتور باید یک ترانسفورماتور ویژه با توان نامی “K“ تعویض شود.
اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی
پلاک ترانسفورماتور K-factor

فاکتور “K” توسط (Laboratories Underwriter (UL برای تعریف توانایی ترانسفورماتور برای تامین جریان‌های بار‌های غیر خطی متغیر بدون افزایش از درجه حرارت نامی ایجاد شده است.

فاکتور “K” براساس تخمین تلفات‌های پیش بینی شده در استاندارد ANSI / IEEE C۵۷.۱۱۰ [S۱۴]مشخص شده است

۳-خازن‌ها

هر خازنی در یک شبکه AC می‌تواند باعث ایجاد خطر تشدید با قطعات القایی شبکه شود. اگر چه شبکه‌های الکتریکی طوری طراحی می‌شوند که هیچ گونه رزونانسی در فرکانس‌های اصلی وجود نداشته باشد، اما هنگامی که اثرات فرکانس‌های چندگانه اعوجاج‌های هارمونیک در نظر گرفته می‌شود، همیشه خطر احتمال تشدید سیستم وجود دارد.

این‌ها و دیگر اثرات هارمونیک در خازن‌ها به شرح زیر است:

رزونانس ولتاژ جریان‌های قابل ملاحظه‌ای را در خازن‌ها ایجاد می‌کند.
بانک خازنی به عنوان یک دریافت کننده جریان‌های هارمونیک بالاتر عمل می‌کند که باعث افزایش گرما و تنش دی الکتریک آن‌ها می‌شود.
تلفات در یک خازن متناسب با خروجی توان راکتیو (kVAR) است که به نوبه خود متناسب با فرکانس است. این تلفات افزایش می‌یابد و عمر خازن‌ها با افزایش هارمونیک‌ها کوتاه می‌شود.

برای جلوگیری یا به حداقل رساندن چنین مشکلی، بانک‌های خازنی می‌توانند با استفاده از راکتور‌ها هارمونیک‌های خاصی را حذف کنند..

در اکثر سیستم‌های هارمونیک صنعتی، هدف اصلی برای نصب خازن ها، رعایت الزامات ضریب توان مصرفی است که در نرخ‌های تعرفه شرکت برق تعریف شده است می‌باشد. مزایای دیگر آن‌ها تنظیم ولتاژ بهتر و کاهش تلفات است

مکان‌های معمول استفاده شده در شکل ۲ زیر نشان داده شده است.


اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی
شکل ۲ – نمودار تک خطی برای یک سیستم صنعتی

هر بانک خازنی می‌تواند یک منبع رزونانس موازی با اندوکتانس سیستم باشد.

اجتناب از مشکلات رزونانس

بهترین روش برای جلوگیری از مشکلات رزونانس، نصب بانک‌های خازنی بزرگ در باس اصلی است. این راه حل مزایای زیر را ارائه می‌دهد:

به طور کلی توان راکتیو بیشتری برای سیستم در دسترس است
کنترل راحت‌تر ولتاژ و جریان‌های هارمونیکی
کاهش هزینه ها، زیرا بانک‌های بزرگ از لحاظ هزینه خرید ارزان‌تر هستند
راکتور‌ها را می‌توان به گونه‌ای اضافه کرد تا سیستم را از فرکانس‌های رزونانس دور نگه داشت

خازن‌ها همچنین می‌توانند با راکتور‌ها ترکیب شوند تا فیلتر‌های هارمونیک را در فرکانس‌های هارمونیکی رزونانسی مشکل زا ایجاد کنند. فرکانس رزونانس در باس خازنی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی
جایی که:

fr فرکانس رزونانس است
fs فرکانس سیستم ۶۰ یا ۵۰ هرتز است
kVAsc سطح خطای سه فاز سیستم بر حسب kVA است
kVAc توان نامی خازن سه فاز بر حسب kVA است

۴-کابل‌های برق قدرت

کابل‌های قدرت به طور ذاتی خازنی هستند و همانطور که در بالا برای بانک‌های خازنی اشاره شد، ظرفیت آن‌ها می‌تواند منجر به تشدید با بخش‌های القایی شبکه شود.

این خطرات رزونانس و خود هارمونیک می‌تواند مشکلات زیر را برای سیستم‌های کابل تولید کند:

کابل‌هایی که در معرض رزونانس قرار می‌گیرند، ممکن است تحت فشار اضافه ولتاژ و یا کرونا قرار بگیرند.
افزایش گرما به علت افزایش جریان موثر rms، اثر پوستی، و اثر مجاورتی. اثر پوستی با اندازه فرکانس و اندازه هادی تفاوت خواهد داشت.

هادی‌های کابل برق معمولا نزدیک به یکدیگر نصب و خوابانده می‌شوند و بنابراین جریان‌های فرکانس بالا در پوست بیرونی یک هادی، توزیع و رفتار جریان‌های فرکانس بالا در پوست هادی‌های مجاور را تحت تأثیر قرار می‌دهند و موجب ایجاد “اثر مجاورتی” می‌شوند.

اثر پوستی و اثر مجاویت با توان ۲ فرکانس متناسب است؛ بنابراین اگر در کابل‌های هارمونیک قابل ملاحظه‌ای وجود داشته باشد، به خصوص اگر ITHD بیشتر از ۱۰ درصد باشد، جریان نامی کابل‌ها باید با ضریب کاهشی یا دیرتینگ محاسبه و سایز شوند.

کابل فیدر درایو

فیدر کابل برق به هر درایو متغیر فرکانس (VFD) جریان ۵۰ هرتز اصلی یا سینوسی به همراه جریان هارمونیک تولید شده توسط درایو را حمل می‌کند. اندازه فیدر انتخاب شده می‌بایست بر اساس حرارت تولید شده از مجموع جریان rms (هارمونیک اصلی) و اثر پوستی هارمونیک مرتبه بالاتر سایز شود

کابل باید دی ریت شوند تا حرارت اضافی ایجاد شده توسط جریان هارمونیک و اثر پوستی جبران شود.

اثر پوستی نیز به اندازه هادی بستگی دارد و از این رو باید از اندازه هادی بزرگ اجتناب شود.

اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی
شکل ۳ – دیریتینگ کابل در مقابل هارمونیک‌ها با توزیع جریان هارمونیک شش پالسی

شکل ۳، ضرایب دیریتینگ کابل را در برابر درصد جریان هارمونیک مرتبط با یک VFD معمولی ۶ پالس را نشان می‌دهد. با توجه به اثر پوستی، دیریتینگ بیشتری برای هادی‌های بزرگتر مورد نیاز است.

یک مقاله نوشته شده توسط Hiranandani روش اجرای محاسبات ظرفیت کابل شامل اثرات هارمونیک‌ها را بیان کرده است. برخی از تولید کنندگان کابل نرم افزار کامپیوتر خود را دارند و می‌توانند در سایز کابل‌ها برای درایو‌ها به آن‌ها کمک کنند

از نظر استفاده از کابل برای درایو‌های سرعت متغیر، و یا دیگر منابع قابل توجه هارمونیک، توصیه‌های زیر را می‌توان داد:

از کابل‌های سه هادی استفاده کنید و از استفاده از کابل‌های تک هادی جلوگیری کنید
از هادی‌های بزرگ برای به حداقل رساندن تلفات ناشی از اثر پوستی جلوگیری کنید. اندازه هادی نباید بیش از ۱۵۰ میلیمتر مربع باشد.
برای تجهیزات بالاتر از ۶۰۰ ولت از کابل‌های شیلد دار استفاده کنید

۵-تجهیزات الکترونیکی

در تجهیزات الکترونیک قدرت، اگر سطح قابل توجهی از اعوجاج هارمونیک وجود داشته باشد حساس به عملکرد ناصحیح هستند و ممکن است دچار مشکل شوند. برخی از سیستم‌های کنترل برای دستگاه‌های الکترونیک قدرت از تشخیص عبور از صفر برای کنترل سوئیچینگ استفاده می‌کنند.

اعوجاج هارمونیک می‌تواند منجر به جابه جایی ولتاژ عبور نقطه صفر شوند و این تغییرات می‌تواند برای بسیاری از انواع مدار کنترل الکترونیکی مشکل زا باشد. همچنین، اگر سوئیچ نادرست رخ می‌دهد، هارمونیک‌های بیشتری تولید می‌شوند، و باعث افزایش مشکل می‌شود.

۶-تابلو‌های برق و رله‌ها

جریان‌های هارمونیکی در تابلو‌ها گرما و تلفات را در تابلو‌های برق افزایش می‌دهند همانطور که برای کابل‌های برق مورد بحث قرار گرفت. به همین ترتیب، اعوجاج ولتاژ می‌تواند مشکلاتی برای ترانسفورماتور‌های ولتاژ و رله‌های متصل شده به آن‌ها ایجاد کند، در حالی که اعوجاج جریان می‌تواند همین مشکل را در ترانسفورماتور‌های جریان ایجاد کنند.

به طور خاص، رله اضافه جریان الکترومکانیکی تمایل عملکرد آهسته تری در زمان وجود هارمونیک دارند، در حالی که رله‌های آندر فرکانس استاتیک که از عبور صفر برای اندازه گیری فرکانس استفاده می‌کنند به ایجاد هارمونیک حساس هستند و هارمونیک باعث اختلال عملکرد آن‌ها می‌شود

هارمونیک همچنین می‌تواند سرعت عملکرد رله‌های دیفرانسیلی الکترومغناطیسی را مختل کند.

رله‌های دیجیتال مدرن از تکنیک‌های فیلتر کردن برای تولید فرکانس اصلی استفاده می‌کنند به طوری که مدار‌های جریان خطا و ولتاژ اندازه گیری به طور قابل توجهی توسط هارمونیک تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند. برای فیلتر کردن صحیح، الگوریتم رله نیاز دراد تا فرکانس سیستم را ردیابی کند و اکثر رله‌ها یک دامنه فرکانس محدود دارند که برای عملکر در آن دامنه طراحی شده اند.

اگر چه قابلیت اندازه گیری خطا ممکن است در معرض خطر قرار نگیرد، توانایی آن برای اندازه گیری و شناسایی شرایط صحیح اضافه بار به توانایی آن برای اندازه گیری دقیق اثر حرارتی، به عنوان مثال، مقادیر rms بستگی دارد.

اگر چه در صورت وجود هارمونیک می‌توان در تنظیمات رله تصحیح قائل شد مهم است فرکانس کات آف رله cut-off frequency را بدانیم تا به طور دقیق اثر هارمونیک را جبران کنیم مانند فیلتر‌های فرکانس بالا.

۷-فیوز‌ها

فیوز‌ها به علت وجود گرما تولید شده توسط هارمونیک باید دیریت بشوند. بنابراین، فیوز‌ها میتوانند تحت تاثیر هارمونیک‌ها به درستی عمل نکنند. این اثرات باید در نظر گرفته شود تا فیوز‌ها بتوانند به طور صحیح دیریت شوند.

همچنین سوختن بی دلیل و مداوم فیوز نشانه‌ای از وجود هارمونیک‌های غیر منتظره یا تغییرات در ترکیب هارمونیک‌ها در آن سیستم است.

تداخل سیستم‌های ارتباطی

سیستم‌های ارتباطی حساس به تداخل ناشی از هارمونیک‌ها هستند، به ویژه آن‌هایی که در محدوده فرکانس‌های قابل شنیداری قرار دارند. هر گونه افزایش تداخل قابل شنیدار تلفنی (audible telephone interference) باید مورد بررسی قرار گیرد، زیرا این اغلب اولین هشداری است که هارمونیک‌ها در حال حاضر در سیستم وجود دارند یا در حال افزایش هستند.

هنگام محاسبه تأثیر هارمونیک‌ها و فرکانس‌های مرتبط با آن‌ها در مدار‌های ارتباطی مجاور دو عامل استفاده می‌شود، عامل وزن، (weightage factor) W، و عامل تداخل تلفنی (telephone interface factor)، TIF.

وزن در فاکتور W به حساسیت گوش انسان مرتبط است و در شکل نمایش داده شده است. تداخل ارتباطات نشان داده شده است با توجه به کوپلینگ القایی بین مدار‌های برق و ارتباطات با استفاده از TIF، که بر اساس فرمول زیر محاسبه می‌شود:

اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی
شکل ۴ – ضریب تداخل تلفنی (TIF) مقادیر وزن
اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی
ضریب تداخل تلفنی

که:

Wf = ۵ × Pf × f

که:

Vf ولتاژ RMS در فرکانس f است
Wf ضریب وزن TIF در فرکانس f است (TIF weightage factor at frequency f)
Vt مقدار مؤثر (rms) هارمونیک اصلی است
Pf وزن پیام C است (message weighting)
۵ ثابت است برای شبیه سازی کوپلینگ اسارت است (constant to simulate captive coupling)
f فرکانس است

۸-تاثیر بار‌های غیرخطی

هارمونیک‌ها یک روش مناسب برای بیان اعوجاج شکل موج ناشی از بار‌های غیر خطی در سیستم‌های قدرت الکتریکی است. قبل از معرفی الکترونیک قدرت، اغلب بار‌های غیر خطی به علت سیستم‌های یکسوساز استاتیک یا عملکرد ترانسفورماتور‌های راکتور‌های شانت در ولتاژ‌های بالاتر از نقطه‌ی زانوی مغناطیسی آن‌ها بود، یعنی فراتر از منطقه‌ی خطی آنها.

از زمان معرفی الکترونیک قدرت در سیستم‌های صنعتی، اعوجاج شکل موج شایع‌تر شده است و نیاز به تجزیه و تحلیل هارمونیک‌ها افزایش یافته است.

سایر اعوجاجات شکل موج زمانی رخ می‌دهد که ترانسفورماتور‌ها انرژی دار می‌شوند یا وصل می‌شوند، اما این هارمونیک‌ها گذرا هستند. هارمونیک‌ها همچنین می‌توانند باعث ایجاد تشدید و بارگذاری دستگاه‌هایی شوند که برای کار در فرکانس‌های اصلی طراحی شده اند.

برای کنترل سطح هارمونیک‌ها در هر سیستم، مهم است هم منبع هارمونیک و دستگاه‌هایی که حساس به چنین هارمونیک‌های هستند را شناسایی کنید تا آن‌ها را در شبکه محدود کنید.

جدول ۱ – جریان هارمونیکی تولید شده توسط بار‌های غیر خطی (٪ از فرکانس اصلی)
اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی
منبع: ماه صنعت
ارسال نظر قوانین ارسال نظر
لطفا از نوشتن با حروف لاتین (فینگلیش) خودداری نمایید.
از ارسال دیدگاه های نا مرتبط با متن خبر، تکرار نظر دیگران، توهین به سایر کاربران و ارسال متن های طولانی خودداری نمایید.
لطفا نظرات بدون بی احترامی، افترا و توهین به مسئولان، اقلیت ها، قومیت ها و ... باشد و به طور کلی مغایرتی با اصول اخلاقی و قوانین کشور نداشته باشد.
در غیر این صورت، «برق نیوز» مطلب مورد نظر را رد یا بنا به تشخیص خود با ممیزی منتشر خواهد کرد.
نام:
ایمیل:
* نظر:
وضعیت انتشار و پاسخ به ایمیل شما اطلاع رسانی میشود.
پربازدیدها
برق در شبکه های اجتماعی
اخبار عمومی برق نیوز
عکس و فیلم
پربحث ترین ها
آخرین اخبار