بخشی از مقاله
*** 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 انرژي 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 روي یکی از مؤثر ترین عوامل یعنی ” اعوجاجهاي هار مونیکی و منشأ آن ” تا حدودي به جزئیات و در حد حوصله مقاله پرداخته شود .
آنچه که بیش از همه روي آن تأ کید شده و سعی خواهد شد راه حلهاي عملی و اقتصادي براي آن ارائه شود ، موضوع نحوه آگاهی مداوم از کیفیت برق و شیوه هاي 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 کتابهاي متعددي 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 تحلیلهاي بیشتر را به مقالات دیگر واگذار نمود .
الف : مقدمه
” کیفیت برق ” بصورت مقوله اي مد نظر تولید و توزیع کنندگان انرژي و همینطور مصرف کنندگان آن ، حدود سال 1980
بطور علنی مطرح شد . البته معنی و مفهوم ” کیفیت برق ” بسیار گسترده است و در حقیقت بصورت چتري بر اعوجاجهاي شبکه اعم از تولید ، انتقال ، توزیع و مصرف تلقی می شود . آنچه مسلم است عملکرد کلیه اجزاء شبکه و مهمتر از آن بارهاي 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 بارهاي مصرفی حدود % 80 در کیفیت برق مؤثرند .
چرا که عواملی مانند مشخصه هاي الکتریکی بارها ، نحوة توزیع و حتی سیم کشی داخل ساختمان ، نحوة 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 اعوجاجهاي هارمونیکی یک واحد صنعتی به شبکه مشترك مثلأ 20KV ، سایر واحد هاي صنعتی یا حتی مسکونی و اداري 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 بندي کرد :
-1 تجهیزات امروزي مصرف کنندة برق نسبت به گذشته به نوسانات و کیفیت برق بمراتب حساس تر هستند چرا که بیشتر آنها یا خودشان یا بخش کنترل آنها میکروپروسسوري هستند و یا از وسائل الکترونیکی در بخش قدرت آنها استفاده شده است .
-2 تأکید فزاینده بر افزایش بازدهی شبکه قدرت و صرفه جویی در مصرف انرژي باعث شده است که کار برد وسائل با فرکانس بالا ، کنترل دوره هاي الکترونیکی موتورها و بانک هاي خازنی جهت تصحیح ضریب قدرت فزونی یابد . همین امر
خود باعث افزایش اعوجاجهاي هارمونیکی در شبکه قدرت شده و در حال حاضر مطالعات بیشماري روي اثرات آتی آن روي شبکه در حال انجام است .
-3 افزایش آگاهی هاي مصرف کنندگان برق از موضوع ”کیفیت برق” و مسائلی مانند قطع هاي لحظهاي ، نواسانات ولتاژ ، حالتهاي گذراي ناشی از قطع و وصل شبکه و غیره باعث شده که شرکت هاي برق ملزم به ارتقاء کیفیت برق تحویلی به آنها باشند .
-4 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 هاي برق نیز آنها را تشویق به این کار می کنند چرا که به این ترتیب مصرف انرژي کاهش یافته و میزان سرمایه گذاري قابل توجه مورد نیاز جهت تولید ، انتقال و توزیع کاهش قابل ملاحظه اي می یابد . حال چنانچه چنین روندي به انجام نرسد .
در مقابل شاهد کاهش کیفیت برق از یک طرف و اثرات نامطلوب آن روي 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 اي وجود دارد ؟ آیا بایستی جلوي 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 محدودة مشخصی از کیفیت برق داشته باشیم . تعریف
ویژه اي براي 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 محدودة مجاز و غیر مجاز آن ، کلیه سازمانهاي تهیه کننده استانداردهاي برق مانند , CIGRE , IEC IEEEفعالیت هاي مداومی را انجام داده و می دهند . جهت آشنائی خوانندگان با مقوله کیفیت برق بصورت اعداد و ارقام قابل اندازه گیري و آزمایش ، جدول شمارة 1 ارائه می گردد که جهت اجتناب از مشکلات احتمالی در مفاهیم آن ، از ترجمه آن خودداري شده و عیناً ذکر می شود .
جدول . 1 طبقه بندیها و مشخصه هاي پدیده هاي الکترو مغناطیسی سیستم قدرت حال بطور خلاصه به عوامل مؤثر یا بعبارتی در بر گیرنده کیفیت برق اشاره می شود :
-1 حالتهاي گذرا ( ( Transients به نواساناتی اطلاق می شود که نامطلوب ولی طبعاً لحظه اي است و بدلیل RLC
شبکه مستهلک می شود . البته تعاریف دیگري نیز براي آن شده است ولی اساس آن نوسانات میرا می باشد و اساساً دو دسته است :
- 1 -1 حالتهاي گذراي ضربه اي ( ( 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 پداراي یک جهت ( منفی یا مثبت
) می باشد . معمول ترین علت حالتهاي گذراي لحظه اي ، صاعقه است .
– 1 – 2 حالتهاي گذراي نوسانی ( ( Oscillatory Transient که حالت مشابه حالت ضربه اي است با این تفاوت که داراي مقادیري در هر دو جهت مثبت و منفی است . علل عمدة وقوع این نوع حالتهاي گذرا ، قطع و وصل خازنها است که می تواند نوساناتی در حد ده ها کیلو هرتز در جریان ها ایجاد کند .
قطع و وصل فیدرهاي کابلی که همان حدود نوسانات را در ولتاژها ایجاد می کند نیز از این قبیل موارد است و بیشتر در شبکه هاي فوق توزیع اتفاق می افتد .
جهت آشنائی با نمونه هاي از این نوع حالتهاي گذرا در شکل زیر ارائه می گردد :
شکل : 1 حالت گذراي نوسانی فرکانس کم ناشی از برق دار کردن بانک خازنی
شکل : 2 حالت گذراي نوسانی فرکانس کم ناشی از حالت فرورزونانس یک ترانسفورماتور بی بار
– 2 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 بارهاي 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 اي تلقی شده و ناشی از وقوع اتصالی ، برق دارکردن بارهاي سنگینی که جریانهاي راه اندازي بالایی دارند و یا اتصالات مثلأ دو شبکه می تواند باشد .
– 3 اعوجاج شکل موج نیز یکی از معمول ترین نشانه ها و عوامل مسئله کیفیت برق است و بسیاري 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 شمارة ( 3 و Noise می باشند .
شکل : 3 نمونه اي از اعوجاج در ولتاژ ( ( Notching ناشی از وجود یک مبدل سه فاز
– 5 تغییرات و نوسانات فرکانس قدرت یا برق نیز از جمله نشانه هاي عدول از استانداردهاي 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 براي هر کدام از موارد فوق می توان مقالات متعددي 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 ” اعوجاجهاي هارمونیکی ” است چرا که این بخش بیشترین و پایدارترین حالت مؤثر در کیفیت برق است .
ج : اعوجاجهاي هارمونیکی و اثرات آن اعوجاجهاي هار مونیکی پدیدة جدیدي در برق نیست و اولین مقالات علمی در این مورد به سالهاي 1930 و 1940 بر می
گردد . در آن زمانها مشکلات تداخل شبکه هاي برق با سیستمهاي تلفن مطرح بود و بعد که لامپهاي قوسی به بازار آمد این پدیده بیشتر مورد توجه قرار گرفت تا اینکه با آمدن مبدلهاي الکترونیکی برق و بعبارت کلی تر الکترونیک صنعتی در دهه هاي 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 زیادي به تأسیسات شرکت هاي 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 هاي 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 اعوجاجهاي هارمونیکی اساساً توسط دستگاههاي 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 اعوجاجهاي هار مونیکی را دسته بندي کنیم شاید بتوان بصورت زیر آنها را تقسیم بندي نمود :
– 1 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 :
. 1 – 1 ولتاژ هارمونیکی خیلی بزرگ یا پر از اعوجاج هستند و لذا بخش کنترل آنها نمی تواند دقیقأ زوایاي آتش را تعیین
کند .
. 1 – 2 جریانهاي 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 .
. 1 – 3 ولتاژهاي هارمونیکی خیلی زیاد هستند زیرا جریانهاي هارمونیک تولید شده توسط دستگاه براي حالت نامی سیستم بسیار زیاد است .
بطور خلاصه اطلاق کلمه هارمونیکها می تواند بر ولتاژ یا جریان باشد ولی معمولأ تا وقتی از اعوجاجهاي هارمونیکی در ولتاژ صحبت می شود روي سخن با شبکه تولید و توزیع برق است و وقتی اعوجاجهاي هارمونیکی در جریان مد نظر می باشد موضوع به مصرف و تجهیزات آنها بر می گردد .
– 2 اعوجاج هارمونیکی کل ( THD) و مقدار مؤثر ( ( Total Harmonic Distortion & RMS Value عمومأ چندین شیوه اندازه گیري جهت نشان دادن اعوجاجهاي هارمونیکی یک شکل موج وجود دارد . یکی از معمول ترین آنها
THD است که براي 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 هاي 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 مفیدي در بسیاري از کاربرد هاست و لی محدودیتهاي آنرا نیز بایستی در نظر گرفت . این کمیت ایدة خوبی براي درك 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 .
– 3 ضریب قدرت : اعوجاجهاي هارمونیکی محاسبات ضریب قدرت را پیچیده می کند چرا که بسیاري از عواملی که در محاسبات ضریب قدرت نادیده گرفته می شود با به میدان آمدن اعوجاجهاي هارمونیکی بایستس ملحوظ گردند چرا که قدرت ظاهري و اکتیو بشدت تحت نفوذ اعوجاجها هستند .
جهت لحاظ کردن اعوجاجها در محاسبه ضریب قدرت ، واحدي 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 ظاهري و Q قدرت راکتیو می باشد . البته تجهیزات پیشرفته اي که در حال حاضر جهت اندازه گیري استفاده می شود و داراي توانائی اندازه گیري اعوجاجهاي هارمونیکی نیز هستند ، عملأ ضریب قدرت را براساس فرمولهاي فوق حساب کرده و نشان می دهند و بعبارت دیگر مقادیر اندازه گیري شده توسط این دستگاهها واقعی هستند نه آنکه در حال حاضر عمل می شود .
– 4 هارمونیکهاي ضریب سه ( : ( Triplan Harmonics منظور از هارمونیکهاي 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 اي نشان می دهد. این مسئله در سیستمهاي 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 دستگاههاي یک فاز می شود
. براي درك بیشتر مطلب به شکل شماره 4 مراجعه کنید .
شکل : 4 جریانهاي نول بالا در مدارهایی که بارهاي غیر خطی یک فاز دارند .
همانطور که در شکل بالا مشاهده می شود جمع جبري جریانهاي با فرکانس مبنا صفر است ( تعادل جریانهاي سه فاز ) اما جریانهاي هارمونیک سوم متعادل نیز همزمان حضور دارند و در نتیجه جریان نول هیچ مقداري با فرکانس مبنا ندارد ولی مقدار هارمونیک سوم % 300 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 :
– 4 – 1 ترانسفورماتورها ، بویژه با اتصال زمین ، در معرض گرم شدن بیش از حد خواهند بود بویژه وقتی بارهاي تک فاز که داراي هارمونیک سوم زیادي هستند در طرف ستارة آنها حضور دارد .
– 4 – 2 اندازه گیري جریان در طرف مثلث یک ترانسفورماتور نمی تواند نشان دهندة هارمونیکهاي ضریب سه بوده و واقعیت گرمایش بیش از حد ترانسفورماتور را روشن کند .
– 4 – 3 با اضافه کردن یک ترانسفورماتور ایزوله می توان از جاري شدن جریانهاي هارمونیک ضریب سه جلوگیري نمود . – 5 منابع تغذیه تک فاز ، منابع تغذیه و مبدلهاي برق با توجه به ظرفیت بالاي آنها در ایجاد جریان هاي هارمونیکی مهمترین طبقه بین بارهاي غیر خطی در شبکه برق تلقی می شوند . و همانطور که در مقدمه اشاره شد با انقلاب صنعتی در زمینه نیمه هادي ها و میکرو پروسسورها در دهه هاي اخیر ، استفاده وسیع و همه جانبه از تجهیزاتی مانند کامپیوتر ها ، UPS ها ، کنترل دورها ي الکترونیکی موتورهاي AC و DC ، باطري شارژرها ، چوك هاي الکترونیکی و بعبارتی هر گونه مبدل AC/DC و بالعکس از نوع الکترونیکی غیر قابل اجتناب شده است .
