مقاله مبانی کیفیت برق و اثرات آن

word قابل ویرایش
12 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

مبانی کیفیت برق و اثرات آن
Power Quality Basics & Its Impacts

 

چکیده :

با افزایش تجهیزات الکترونیکی در شبکه از قبیل کامپیوتر ها ، UPS ها ، کنترل دورها و غیره از یک طرف و پیچیده شدن شبکه ها از طرف دیگر ، موضوع ” کیفیت برق ” و بعبارت دیگر ” آلودگی محیط برق ” چه از طرف تولید و توزیع کننده انرژی و چه از طرف مصرف کنندگان آن فوق العاده اهمیت پیدا کرده است .

در این مقاله سعی خواهد شد ضمن ارائه تاریخچه و مقدمه کوتاهی از موضوع اصلی ، ابتدا ” عوامل مؤثر در کیفیت برق ” به اختصار مورد بحث و تجزیه و تحلیل قرار گرفته و سپس روی یکی از مؤثر ترین عوامل یعنی ” اعوجاجهای هار مونیکی و منشأ آن ” تا حدودی به جزئیات و در حد حوصله مقاله پرداخته شود .

آنچه که بیش از همه روی آن تأ کید شده و سعی خواهد شد راه حلهای عملی و اقتصادی برای آن ارائه شود ، موضوع نحوه آگاهی مداوم از کیفیت برق و شیوه های کاستن ازآلودگی محیط برق ، بالطبع افزایش راندمان شبکه و تحویل برق با کیفیت بالا به مصرف کنندگان آن می باشد .

کاملأ واضح است که مقوله ”کیفیت برق” و عوامل مؤثر در آن بسیار وسیع بوده و مقالات و کتابهای متعددی جهت روشن شدن و تجزیه و تحلیل دقیق آن می توان تهیه و تدوین کرد و لذا در این مقاله سعی خواهد شد مطلب حد الامکان خلاصه گویا باشد تا بتوان به عمده مطالب اشاراتی نمود و تجزیه و تحلیلهای بیشتر را به مقالات دیگر واگذار نمود .

الف : مقدمه
” کیفیت برق ” بصورت مقوله ای مد نظر تولید و توزیع کنندگان انرژی و همینطور مصرف کنندگان آن ، حدود سال ۱۹۸۰

بطور علنی مطرح شد . البته معنی و مفهوم ” کیفیت برق ” بسیار گسترده است و در حقیقت بصورت چتری بر اعوجاجهای شبکه اعم از تولید ، انتقال ، توزیع و مصرف تلقی می شود . آنچه مسلم است عملکرد کلیه اجزاء شبکه و مهمتر از آن بارهای مصرفی در تحت الشعاع قرار دادن کیفیت برق مؤثرند و اگر بخواهیم به درصد تقریبی تأ ثیر آنها اشاره کنیم شاید بتوان به جرأت گفت که بارهای مصرفی حدود % ۸۰ در کیفیت برق مؤثرند .

چرا که عواملی مانند مشخصه های الکتریکی بارها ، نحوه توزیع و حتی سیم کشی داخل ساختمان ، نحوه زمین کردن و غیره ، همه و همه در کیفیت برق تأثیر دارند . این اثرات را می توان به آلودگی محیط زیست تشبیه کرد چرا که با وارد شدن فاضلاب یک واحد صنعتی به مثلأ یک رودخانه ، مصرف کنندگان آب آن رود خانه همگی تحت تأثیر قرار می گیرند .

و اگر همین مثال را در برق بزنیم کاملأ روشن می شود که با وارد شدن اعوجاجهای هارمونیکی یک واحد صنعتی به شبکه مشترک مثلأ ۲۰KV ، سایر واحد های صنعتی یا حتی مسکونی و اداری استفاده کننده از همین شبکه نیز تحت تأثیر اثرات منفی آن قرار می گیرند . علل اصلی توجه بیشتر به کیفیت برق از طرف هر دو جناح تولید کننده و مصرف کننده آن بویژه در دو دهه اخیر را می توان به اختصار بشرح زیر طبقه بندی کرد :

-۱ تجهیزات امروزی مصرف کننده برق نسبت به گذشته به نوسانات و کیفیت برق بمراتب حساس تر هستند چرا که بیشتر آنها یا خودشان یا بخش کنترل آنها میکروپروسسوری هستند و یا از وسائل الکترونیکی در بخش قدرت آنها استفاده شده است .

-۲ تأکید فزاینده بر افزایش بازدهی شبکه قدرت و صرفه جویی در مصرف انرژی باعث شده است که کار برد وسائل با فرکانس بالا ، کنترل دوره های الکترونیکی موتورها و بانک های خازنی جهت تصحیح ضریب قدرت فزونی یابد . همین امر

خود باعث افزایش اعوجاجهای هارمونیکی در شبکه قدرت شده و در حال حاضر مطالعات بیشماری روی اثرات آتی آن روی شبکه در حال انجام است .

-۳ افزایش آگاهی های مصرف کنندگان برق از موضوع ”کیفیت برق” و مسائلی مانند قطع های لحظهای ، نواسانات ولتاژ ، حالتهای گذرای ناشی از قطع و وصل شبکه و غیره باعث شده که شرکت های برق ملزم به ارتقاء کیفیت برق تحویلی به آنها باشند .
-۴ پیچیدگی و تراکم شبکه ها باعث شده که هر گونه اشکال در کیفیت برق نتایج بسیار مهمی ببار بیاورد .

بطور خلاصه از یک طرف تولید کنندگان بدنبال ماشین آلات با راندمان بیشتر، سرعت بالا و کنترل دقیقتر هستند و از طرف دیگر شرکت های برق نیز آنها را تشویق به این کار می کنند چرا که به این ترتیب مصرف انرژی کاهش یافته و میزان سرمایه گذاری قابل توجه مورد نیاز جهت تولید ، انتقال و توزیع کاهش قابل ملاحظه ای می یابد . حال چنانچه چنین روندی به انجام نرسد .

در مقابل شاهد کاهش کیفیت برق از یک طرف و اثرات نامطلوب آن روی مصرف کنندگان حساس از طرف دیگر که به نوعی خود ایجاد کننده آن نیز هستند می باشیم . کیفیت برق چیست ؟ چه باید کرد ؟ آیا راه حل بهینه ای وجود دارد ؟ آیا بایستی جلوی روند استفاده از الکترونیک صنعتی در صنایع را گرفت ؟ اینها از جمله سئوالاتی هستند که در این مقاله مختصراً به آنها پاسخ داده خواهد شد .

ب : عوامل مؤثر در کیفیت برق قبل از بحث در مورد عوامل مؤثر در کیفیت برق ، بایستی تعریف یا محدوده مشخصی از کیفیت برق داشته باشیم . تعریف

ویژه ای برای این منظور وجود ندارد ولی بطور عام مشکل یا مسئله کیفیت برق را می توان عبارت از ” هر مشکلی نامید که بصورت نوسانات ولتاژ ، جریان یا فرکانس باعث قطع یا عملکرد غلط تجهیزات الکتریکی بشود . ” جهت روشن تر شدن مفهوم کیفیت برق و محدوده مجاز و غیر مجاز آن ، کلیه سازمانهای تهیه کننده استانداردهای برق مانند , CIGRE , IEC IEEEفعالیت های مداومی را انجام داده و می دهند . جهت آشنائی خوانندگان با مقوله کیفیت برق بصورت اعداد و ارقام قابل اندازه گیری و آزمایش ، جدول شماره ۱ ارائه می گردد که جهت اجتناب از مشکلات احتمالی در مفاهیم آن ، از ترجمه آن خودداری شده و عیناً ذکر می شود .

جدول . ۱ طبقه بندیها و مشخصه های پدیده های الکترو مغناطیسی سیستم قدرت حال بطور خلاصه به عوامل مؤثر یا بعبارتی در بر گیرنده کیفیت برق اشاره می شود :
-۱ حالتهای گذرا ( ( Transients به نواساناتی اطلاق می شود که نامطلوب ولی طبعاً لحظه ای است و بدلیل RLC

شبکه مستهلک می شود . البته تعاریف دیگری نیز برای آن شده است ولی اساس آن نوسانات میرا می باشد و اساساً دو دسته است :

– ۱ -۱ حالتهای گذرای ضربه ای ( ( Impulsive Transient که یک تغییر ناگهانی و غیر فرکانس قدرت ( Non – ( Power Frequency در حالت پایدار ولتاژ جریان یا هر دو بوده و از نظر جهت فقط پدارای یک جهت ( منفی یا مثبت
) می باشد . معمول ترین علت حالتهای گذرای لحظه ای ، صاعقه است .

– ۱ – ۲ حالتهای گذرای نوسانی ( ( Oscillatory Transient که حالت مشابه حالت ضربه ای است با این تفاوت که دارای مقادیری در هر دو جهت مثبت و منفی است . علل عمده وقوع این نوع حالتهای گذرا ، قطع و وصل خازنها است که می تواند نوساناتی در حد ده ها کیلو هرتز در جریان ها ایجاد کند .

قطع و وصل فیدرهای کابلی که همان حدود نوسانات را در ولتاژها ایجاد می کند نیز از این قبیل موارد است و بیشتر در شبکه های فوق توزیع اتفاق می افتد .
جهت آشنائی با نمونه های از این نوع حالتهای گذرا در شکل زیر ارائه می گردد :

شکل : ۱ حالت گذرای نوسانی فرکانس کم ناشی از برق دار کردن بانک خازنی

شکل : ۲ حالت گذرای نوسانی فرکانس کم ناشی از حالت فرورزونانس یک ترانسفورماتور بی بار

– ۲ نوسانات ولتاژ تغییرات ولتاژ با بیش از یک دقیقه چه بصورت کاهش و چه بصورت افزایش ولتاژ یکی دیگر از عوامل مؤثر در کیفیت برق می باشد که معمولأ از قطع بارهای بویژه سنگین یا برق دار کردن خازنها بصورت افزایش ولتاژ خود نمایی کرده و بالعکس آنها نیز موجب کاهش ولتاژ می گردد . علاوه براین موارد ، نوسانات ولتاژ کمتر از دقیقه نیز مطرح است که بیشتر موارد لحظه ای تلقی شده و ناشی از وقوع اتصالی ، برق دارکردن بارهای سنگینی که جریانهای راه اندازی بالایی دارند و یا اتصالات مثلأ دو شبکه می تواند باشد .

– ۳ اعوجاج شکل موج نیز یکی از معمول ترین نشانه ها و عوامل مسئله کیفیت برق است و بسیاری مواقع بصورت پایدار در شبکه میباشد و اساساً شامل پنج نوع اعوجاج) Inter Rarmonics , Harmonics,DC Offset هارمونیکهائی که ضریب صحیح از فرکانس شبکه نیستند ) ، ) Notching مانند شکل شماره ( ۳ و Noise می باشند .

شکل : ۳ نمونه ای از اعوجاج در ولتاژ ( ( Notching ناشی از وجود یک مبدل سه فاز

– ۵ تغییرات و نوسانات فرکانس قدرت یا برق نیز از جمله نشانه های عدول از استانداردهای کیفیت برق می باشد و عمدتأ در نیروگاهها بدلایلی مانند تغییر سرعت ژنراتور یا عدم کار کرد صحیح یا پاسخ زمانی نامناسب سیستم کنترل ژنراتور در مقابل تغییرات شدید بار و غیره اتفاق می افتد . همانطور که در مقدمه مقاله نیز اشاره شد برای هر کدام از موارد فوق می توان مقالات متعددی تهیه نمود ولی این موضوع خارج از هدف این مقاله است . تنها بخشی از این قسمت که در این مقاله بیشتر و نه بطور کامل شکافته خواهد شد ” اعوجاجهای هارمونیکی ” است چرا که این بخش بیشترین و پایدارترین حالت مؤثر در کیفیت برق است .

ج : اعوجاجهای هارمونیکی و اثرات آن اعوجاجهای هار مونیکی پدیده جدیدی در برق نیست و اولین مقالات علمی در این مورد به سالهای ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ بر می

گردد . در آن زمانها مشکلات تداخل شبکه های برق با سیستمهای تلفن مطرح بود و بعد که لامپهای قوسی به بازار آمد این پدیده بیشتر مورد توجه قرار گرفت تا اینکه با آمدن مبدلهای الکترونیکی برق و بعبارت کلی تر الکترونیک صنعتی در دهه های اخیر ، این مسئله فوق العاده اهمیت پیدا کرده است . یکی از مسائلی که خود را بیش از همه نشان داد و باعث وارد آمدن خسارت زیادی به تأسیسات شرکت های برق و خود صنایع شد مسئله رزونانس ظرفیت خازنی ( ( Capacitance با یک فرکانس هارمونیکی خاص است که باعث اعوجاج شدید ، افزایش ولتاژ و حتی سوختن تجهیزات شده و می شود و نمونه های آن در سطح کشورمان نیز بسیار زیاد است . با افزایش تجهیزات الکترونیکی در شبکه ، میزان خطر وقوع رزونانس بمراتب بیشتر شده و خسارات آن نیز بسیار قابل توجه است. آنچه مسلم است اعوجاجهای هارمونیکی اساساً توسط دستگاههای غیر خطی ( ( Non Linear در شبکه برق ایجاد می شود و همانطور که می دانیم وسیله غیر خطی به نوعی اطلاق می شود که جریان در آن با ولتاژ اعمال شده بر آن متناسب نمی باشد . اگر بخواهیم اعوجاجهای هار مونیکی را دسته بندی کنیم شاید بتوان بصورت زیر آنها را تقسیم بندی نمود :

– ۱ اعوجاج ولتاژ نسبت به جریان ( : ( Voltage VS.Current Distortion کلمه هارمونیکها اغلب در زبانها جاریست بدون اینکه تفسیر خاصی داشته باشد . مثلأ شنیده می شود که یک کنترل دور الکترونیکی موتور یا یک کوره الکتریکی بدلیل هارمونیکها درست کار نمی کند . یعنی چه ؟ منظور آنها می تواند یکی از سه مورد زیر باشد :
. ۱ – ۱ ولتاژ هارمونیکی خیلی بزرگ یا پر از اعوجاج هستند و لذا بخش کنترل آنها نمی تواند دقیقأ زوایای آتش را تعیین
کند .

. ۱ – ۲ جریانهای هارمونیکی بیش از ظرفیت دستگاهها موجود در شبکه مانند ترانسفورماتور و موتور وجود دارد و آنها ناچاراً بایستی در کمتر از قدرت نامی خود کار کنند .

. ۱ – ۳ ولتاژهای هارمونیکی خیلی زیاد هستند زیرا جریانهای هارمونیک تولید شده توسط دستگاه برای حالت نامی سیستم بسیار زیاد است .

بطور خلاصه اطلاق کلمه هارمونیکها می تواند بر ولتاژ یا جریان باشد ولی معمولأ تا وقتی از اعوجاجهای هارمونیکی در ولتاژ صحبت می شود روی سخن با شبکه تولید و توزیع برق است و وقتی اعوجاجهای هارمونیکی در جریان مد نظر می باشد موضوع به مصرف و تجهیزات آنها بر می گردد .

– ۲ اعوجاج هارمونیکی کل ( THD) و مقدار مؤثر ( ( Total Harmonic Distortion & RMS Value عمومأ چندین شیوه اندازه گیری جهت نشان دادن اعوجاجهای هارمونیکی یک شکل موج وجود دارد . یکی از معمول ترین آنها
THD است که برای جریان یا ولتاژ بصورت زیر محاسبه می شود .

در حالیکه Mh مقدار میانگین مؤلفه هارمونیکی h از مقدار M است . THD سنجشی از مقدار مؤثر مؤلفه های هارمونیکی یک شکل موج اعوجاج دار است . THD مربوط به مقدار RMS شکل موج است که از فرمول زیر محاسبه می شود :

THD کمیت بسیار مفیدی در بسیاری از کاربرد هاست و لی محدودیتهای آنرا نیز بایستی در نظر گرفت . این کمیت ایده خوبی برای درک این مطلب می دهد که هنگام اعمال یک ولتاژ اعوجاج دار به یک بار اهمی چه مقدار حرارت اضافی ایجاد می شود . و اینکه جریان اعوجاج دار چگونه باعث تلفات اضافی در مسیر عبور ایجاد می کند .

– ۳ ضریب قدرت : اعوجاجهای هارمونیکی محاسبات ضریب قدرت را پیچیده می کند چرا که بسیاری از عواملی که در محاسبات ضریب قدرت نادیده گرفته می شود با به میدان آمدن اعوجاجهای هارمونیکی بایستس ملحوظ گردند چرا که قدرت ظاهری و اکتیو بشدت تحت نفوذ اعوجاجها هستند .

جهت لحاظ کردن اعوجاجها در محاسبه ضریب قدرت ، واحدی تحت نام قدرت اعوجاج ( ( Distortion Power به میدان می آید و با D نشان داده می شود و و احد آن ولت آمپر است . اگر چه واحد آن ولت آمپر است ولی نمی شود آنرا مانند قدرت انگاشت زیرا این کمیت مانند قدرت VA) یا W )در مدار جریان پیدا نمی کند . فرمول محاسبه ضریب قدرت با ملحوظ کردن قدرت اعوجاج عبارت خواهد بود از

که در این فرمول P قدرت اکتیو ، S قدرت ظاهری و Q قدرت راکتیو می باشد . البته تجهیزات پیشرفته ای که در حال حاضر جهت اندازه گیری استفاده می شود و دارای توانائی اندازه گیری اعوجاجهای هارمونیکی نیز هستند ، عملأ ضریب قدرت را براساس فرمولهای فوق حساب کرده و نشان می دهند و بعبارت دیگر مقادیر اندازه گیری شده توسط این دستگاهها واقعی هستند نه آنکه در حال حاضر عمل می شود .

– ۴ هارمونیکهای ضریب سه ( : ( Triplan Harmonics منظور از هارمونیکهای ضریب سه آنهایی هستند که ضریب آنها سه و یکی از اعداد فرد ضربدر سه می باشد ( یعنی ( h=3,9,15,21, … ، علت اشاره خاص به این هارمونیکها این است که اصولأ شبکه قدرت در مقابل این هارمونیکها در مقایسه با بقیه هارمونیکها رفتار ویژه ای نشان می دهد. این مسئله در سیستمهای اتصال ستاره با نول زمین شده ، بینهایت اهمیت دارد و اثرات آن افزایش بیش از حد جریان نول و اغتشاش در سیستم تلفن بوده و در بعضی موارد اعوجاج بیش از حد در ولتاژ فاز به نول باعث کار کرد غلط دستگاههای یک فاز می شود
. برای درک بیشتر مطلب به شکل شماره ۴ مراجعه کنید .

شکل : ۴ جریانهای نول بالا در مدارهایی که بارهای غیر خطی یک فاز دارند .

همانطور که در شکل بالا مشاهده می شود جمع جبری جریانهای با فرکانس مبنا صفر است ( تعادل جریانهای سه فاز ) اما جریانهای هارمونیک سوم متعادل نیز همزمان حضور دارند و در نتیجه جریان نول هیچ مقداری با فرکانس مبنا ندارد ولی مقدار هارمونیک سوم % ۳۰۰ جریان فاز است . حال اگر جریانها نامتعادل باشند این هارمونیک ها بیشتر خودشان را نشان می دهند . لذا نکات مهمی که در این ارتباط می توان بطور خلاصه گفت عبارت است از :

– ۴ – ۱ ترانسفورماتورها ، بویژه با اتصال زمین ، در معرض گرم شدن بیش از حد خواهند بود بویژه وقتی بارهای تک فاز که دارای هارمونیک سوم زیادی هستند در طرف ستاره آنها حضور دارد .

– ۴ – ۲ اندازه گیری جریان در طرف مثلث یک ترانسفورماتور نمی تواند نشان دهنده هارمونیکهای ضریب سه بوده و واقعیت گرمایش بیش از حد ترانسفورماتور را روشن کند .

– ۴ – ۳ با اضافه کردن یک ترانسفورماتور ایزوله می توان از جاری شدن جریانهای هارمونیک ضریب سه جلوگیری نمود . – ۵ منابع تغذیه تک فاز ، منابع تغذیه و مبدلهای برق با توجه به ظرفیت بالای آنها در ایجاد جریان های هارمونیکی مهمترین طبقه بین بارهای غیر خطی در شبکه برق تلقی می شوند . و همانطور که در مقدمه اشاره شد با انقلاب صنعتی در زمینه نیمه هادی ها و میکرو پروسسورها در دهه های اخیر ، استفاده وسیع و همه جانبه از تجهیزاتی مانند کامپیوتر ها ، UPS ها ، کنترل دورها ی الکترونیکی موتورهای AC و DC ، باطری شارژرها ، چوک های الکترونیکی و بعبارتی هر گونه مبدل AC/DC و بالعکس از نوع الکترونیکی غیر قابل اجتناب شده است .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 12 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد