بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق طراحی فیلتر هارمونیکی به منظور بهبود اعوجاجات هارمونیکی یک شبکه جزیرهای کوچک انجام شده که طراحی فیلتر با درنظر گرفتن بهبود ضریب قدرت میباشد. این بحث به دلیل توجه زیاد به شبکه های جزیرهای و همچنین مراقبت از آنها، از موضوعات مهم کیفیت توان به شمار میرود. محیط نرم افزار ETAP به منظور انجام تحقیق و مشاهده نتایج مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج بهبود چشمگیر THD و اعوجاج شکل موج جریان شبکه را نشان میدهند.
.1 مقدمه
یکی از مسائل و مشکلات کیفیت برق، مسئله هارمونیک ها می باشد که توجه زیادی را به خود جلب نموده است. اعوجاجات هارمونیکی باعث ایجاد مشکلات خاصی در شبکه های قدرت می شوند. از جلمه این مشکلات میتوان به عدم عملکرد مناسب تجهیزات و نیز کاهش عمر و پایان آمدن راندمان دستگاهها اشاره نمود.
هارمونیک ها در حالت ماندگار اتفاق میافتند و مضرب صحیحی از فرکانس مؤلفه اصلی می باشند. اعوجاج هارمونیکی ناشی از عناصر غیر خطی است . عنصر غیر خطی عنصری است که جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نمی باشد. افزایش چند درصدی ولتاژ ممکن است باعث شود که جریان دو برابر شده و نیز شکل موج جریان فرم دیگری به خود بگیرد. این حالت، مورد ساده ای از تولید اعوجاج می باشد. موجهای اعوجاج یافته که دارای هارمونیک هستند، به طور پیوسته وجود داشته و یا حداقل برای چندین ثانیه باقی می مانند.
اعوجاج هارمونیکی یک پدیده جدید به شمار نمیرود. اولین منابع هارمونیکی شناخته شده، ترانسفورماتور ها بودند و اولین مشکل در سیستمهای تلفن به وجود آمد. استفاده گروهی و به تعداد زیاد از لامپهای قوس الکتریک نیز به دلیل مؤلفه های هارمونیکی، خود توجهات بسیاری را برانگیخت ولی اهمیت هیچکدام از موارد فوق به اندازه اهمیت مسأله مبدل های الکترونیک قدرت در سالهای اخیر نبوده است. اعوجاج های هارمونیکی تولید شده منشأ داخلی دارند. برای مثال ژنراتورها، ترانسفورماتورها و تجهیزات تریستوری کنترل شده مانند پست های تبدیل که در سیستم های HVDC استفاده میشوند میتوانند باعث ایجاد اعوجاج های هارمونیکی گردند.
هر شکل موج اعوجاجی پریودیک را می توان به صورت جمع موجهای سینوسی بیان نمود. یعنی هنگامی که شکل موج از یک سیکل به سیکل دیگر تغییر نکند، این موج را می توان به صورت جمع امواج سینوسی خالص که در آن فرکانس هر موج، ضریب صحیحی از فرکانس اصلی موج اعوجاجی است را نمایش داد. این موجهای سینوسی که فرکانس آنها ضریب صحیحی از فرکانس اصلی میباشند را هارمونیک های مؤلفه اصلی می نامند. جمع این سینوسی ها به سری فوریه مربوط است، زیرا این مفهوم ریاضی اولین بار توسط فوریه ریاضیدان فرانسوی مورد توجه قرار گرفت.
مزیت اصلی استفاده از سری فوریه در نمایش شکل موجهای هارمونیکی، سادگی به دست آوردن پاسخ سیستم به یک ورودی سینوسی است. همچنین در این حالت تکنیکهای معمولی حل شبکه در حالت ماندگار نیز قابل استفاده خواهد بود. در این روش، سیستم برای هر هارمونیک جداگانه بررسی شده و سپس خروجی ها در هر فرکانس ترکیب می گردند با پاسخ لازم یعنی شکل موج خروجی به دست آید.
در [2]، نحوه طراحی فیلتر آنالوک GM-C با کمک روش LEAD-FROG برای کاربردهای پزشکی ارائه شده است. همچنین در [3]، طراحی فیلتر هارمونیکی با کمک جبرانساز توان راکتیو انجام شده و هارمونیک بارهای غیرخطی مورد بررسی قرار گرفته شده است. در [4]، طراحی فیلتر توان حقیقی برای یک منبع سوئیچینگ ولتاژ پایین و جریان بالا انجام شده است. مرجع [5] به طراحی و ساخت یک فیلتر اکتیو موازی با توان دو کیلوواری پرداخته که نتیجه آن افزایش کیفیت توان سیستم های با آلودگی هارمونیکی است.
در این تحقیق روند طراحی فیلتر هارمونیکی به منظور بهبود اعوجاجات هارمونیکی یک شبکه جزیرهای کوچک بصورت گام به گام انجام شده است. طراحی فیلتر با درنظر گرفتن بهبود ضریب قدرت انجام شده است. این بحث به دلیل توجه زیاد به شبکه های جزیرهای و همچنین مراقبت از آنها، از موضوعات مهم کیفیت توان به شمار میرود. محیط نرم افزار ETAP به منظور انجام تحقیق و مشاهده نتایج مورد استفاده قرار گرفته است که نتایج حاکی از بهبود چشمگیر THD شبکه مورد نظر است.
.2 تجهیزات هارمونیکزا و هارمونیک های مهم در شبکه های الکتریکی:
تجهیزاتی زیر در ایجاد هارمونیک در شبکه های الکتریکی موثر هستند:
-وجود تجهیزات الکترونیک قدرت در درایو موتورهای الکتریکی
-وجود ژنراتور - وجود شیارها، عدم توزیع یکنواخت سیم پیچیهای استاتور و عدم یکنواختی رلوکتانس ماشین سنکرون باعث بروز هارمونیک میشود. - -جریان مغناطیس کنندگی ترانسفورماتور
-عدم تعادلی شبکه سه فازه
هارمونیکهای مهم هارمونیکهای مرتبه 3 و هارمونیک های فرد دیگر مانند 5 ، 7 ، 11، 13 و.... میباشند. به دلیل اینکه دلیل ایجاد هارمونیکهای زوج اشکالاتی مانند: اشکال ناشی از مصرف کننده در شبکه است، اهمیت هارمونیکهای فرد بالاست. در میان هارمونیکهای فرد، هارمونیک سوم مهمتر است. در صورت متعادل بودند شبکه سه فاز، با جمع هارمونیکهای مرتبه سوم همفاز در نوترال، جریان هارمونیکی با مرتبه سوم خواهیم داشت که دامنه آن 3 برابر دامنه جریان هارمونیک سوم یک خط میباشد که این بسیار عدد بزرگی است. وجود این جریان بزرگ باعث بروز دو مشکل برای هارمونیکهای مرتبه سوم وجود میشود: اضافه بار در سیم نوترال و تداخلات در سیستم مخابراتی و رادیویی.
مبدلهای الکترونیک قدرت سه فاز - مانند دایورهای اینورتری منبع ولتاژ - دارای هارمونیکهای فرد دیگر مانند 5 ، 7 ، 11، 13 و.... میباشند و هارمونیک مرتبه سوم را ندارند که یک مزیت است زیرا این مبدلها قدرت زیادی دارند. درایوهای DC دارای دو نوع شش پالسی و دوازده پالسی هستند. نوع شش پالسی دارای هارمونیکهای 5 و 7 قابل ملاحظهای هستند.
درحالی که نوع دوازده پالسی 90 درصد هارمونیکهای 5 و 7 را حذف میکنند. ولی هزینه آنها بالاست. روش حذف هارمونیکهای مبدلهای شش پالسی با کمک فیلترهای تک تنظیمه و دو تنظیمه انجام میشود. یکسوسازها با پل شش پالسه سه فازه هارمونیکهای جریانی با مرتبه را تولید میکنند. در تئوری، دامنه هر هارمونیک باید با معکوس شماره هارمونیک مساوی باشد. بنابراین %20 از هارمونیک پنجم و یا %9 از هارمونیک یازدهم و.... خواهد بود.
در این تحقیق از فیلتر تک تنظیمه به منظور حذف هارمونیک ها استفاده شده است. این فیلتر برای یک هارمونیک تنظیم شده و هارمونیکهای بعدی را نیز فیلتر میکند. نحوه عملکرد این فیلترها به این صورت است که بهصورت موازی در شینه نزدیک بارها قرار میگیرند
شکل -1فیلتر تک تنظیمه.
همچنین شکل 2 مربوط به نمودار امپدانسی این فیلتر میباشد که نقطه تنظیم این فیلتر است.
شکل -2 نمودار امپدانسی فیلتر تک تنظیمه
