بخشی از مقاله
هارمونیک بانکهای خازنی
مقدمه :
از دير باز، بكارگيري بانك هاي خازني بعنوان يك ضرورت در طراحي فيدرهاي توزيع پذيرفته شده است . ملاحظاتي كه در طراحي منظور ميشوند معمولاً فاكتورهاي سنتي نظير حفظ ولتاژ ، ضريب قدرت و آزادسازي ظرفيت ميباشد . اما از آنجا ييكه در سيستم هاي مشتركين امروزي از ادوات الكترونيك قدرت استفاده ميشود بنابراين طراحي شبكه توزيع در آينده شامل ملاحظات مربوط به كيفيت توان نيز خواهد بود .
كلمه «كيفيت توان » معاني مختلفي دارد ، شايد به تعداد توصيفاتي كه براي بيان اثرات آن بر عملكرد شبكه بكار مي روند .
شركت برق ممكن است كيفيت توان را به عنوان قابليت اطمينان توصيف كند وبا استناد به آمار ادعا كند كه سيستم به ميزان 95% .99 قابل اطمينان ميباشد . اغلب كارخانجات سازنده ، كيفيت توان را به عنوان مشخصات مورد انتظار منبع تغذيه تعريف مي كنند . بنابراين چنين تعريفي از ديدگاه سازندگان مختلف كاملاً متفاوت است كه از مشكلات كيفيت توان تاثير مي پذيرد و بهترين تعريف ، تعريفي است كه در آن ديدگاه مصرف كننده نيز لحاظ شده باشد . با توجه به اين موضوع ، تعريف زير اغلب بكاربرده ميشود :
« هر مشكل بوجود آمده بر روي توان كه ناشي از ولتاژ ، جريان و تغييرات فركانس بوده و منجر به خروج يا عملكرد نامطلوب تجهيزات مشتركين گردد ، يك مشكل كيفيت توان محسوب ميشود » .
وقايع زيادي در سيستم موجب ايجاد مسأله كيفيت توان مي گردند . اغلب تجزيه و تحليل اين وقايع مشكل ميباشد بدليل اين حقيقت كه اختلال حاصل ممكن است مربوط به عمليات كليد زني يا خطاي تجهيزات شبكه قدرت در محلي كه صدها مايل با نقطه تحت بررسي فاصله دارد ، ايجاد شده باشد .
در اين فصل اثر بانك هاي خازني در ايجاد اغتشاشات كيفيت توان در شبكه توزيع ، بررسي ميگردند.
كليد زني مكرر بانك هاي خازني در سيستم توزيع همراه با افزايش بكارگيري تجهيزات حساس توسط مصرف كنندگان توان ، توجه ويژه به رخداد وقايع زير را لازم مي دارد :
1. افزايش گذراهاي كليد زني خازني ؛
2. قطع ناخواسته راه اندازي تنظيم كننده سرعت ؛
اين امر بخصوص در شرايطي كه شركت ها جرايم سنگيني براي ضريب قدرت قرار داده و به موجب آن ، مشتركين را به نصب خازنهاي تصحيح ضريب قدرت ترغيب مي نمايند ، بسيار مهم است .
امروزه ، بارهاي غيرسنتي از قبيل راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت بخاطر ويژگي هايي نظير بهبود بازه و انعطاف پذيريشان ، به تعداد زياد بكاربرده ميشوند . اين نوع بار به اضافه ولتاژهاي ناشي از كليد زني خازني بسيار حساس است .
عمده ترين روشهايي كه براي كنترل اين گذراها بكار مي روند عبارتند از: استفاده از روشهاي كنترل كليد زني ( وصل سنكرون ، وصل با مقاومت /سلف ) و يا بكارگيري اندوكتانسهاي سري كه اغلب همانند يك Chock رفتار مي كنند .
بعلاوه ، اين بارها اغلب جريان هارمونيكي زيادي را توليد نموده و ميتوانند سطوح اعوجاج ولتاژ غير قابل قبولي را در شبكه توزيع صنعتي و سيستم برقرساني ايجاد نمايد . تركيب خازنها و امپدانس سطح اتصال كوتاه سيستم با هم رزونانس ايجاد كرده و ميتواند سطوح هارمونيكي را به بالاتر از حد قابل قبول افزايش دهد . معمول ترين راه حل براي مسائل هارمونيكي ، بكارگيري فيلترهاي هارمونيكي مي باشند .
2-5) كليد زني خازن توزيع :
الف - مرور كلي:
كليدزني خازني واقعه اي معمول در سيستم هاي توزيع بوده و گذراهاي ناشي از آن ، عموماً براي تجهيزات شبكه مشكل ساز نمي باشند . اما اگر مشترك خازنهاي تصحيح ضريب قدرت فشار ضعيف داشته باشد ، اين گذراها ميتوانند در تأسيسات وي افزايش يابند ، بعلاوه حتي اگر مشتركين از اين خازنها استفاده نكنند ممكن است
در اثر اين گذراها ، قطع ناخواسته راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت ، اتفاق افتد . از آنجائيكه ولتاژ خازن نمي تواند بصورت آني تغيير كند ، انرژي دار كردن يك بانك خازني ، افت سريع ( به سمت صفر ) در ولتاژ سيستم ايجاد ميكند كه بلافاصله بدنبال آن ، يك ولتاژ بازيابي سريع ( Overshoot ) و نهايتاً گذراي نوساني بر روي شكل موج اصلي ايجاد مي گردد .
پيك دامنه ولتاژ ، به ولتاژ سيستم در لحظه انرژي دار شدن بستگي دارد . در بدترين شرايط ، پيك ولتاژ ميتواند به دو برابر پيك ولتاژ سيستم برسد . اما معمولاً دامنه به علت وجود بارهاي متصل به سيستم و ميراسازي در سيستم ( وجود المانهاي مقاومتي ) كمتر از اين مقدار خواهد بود . در شبكههاي توزيع معمول ، سطوح اضافه ولتاژ در محدودة 1/1تا 6/1 پريونيت مي باشند. معمولاً فركانسهاي گذاري ناشي از كليد زني خازني در شبكه توزيع در حدود (hz ) 10000-300 است .
اضافه ولتاژهاي گذرا شبكه توزيع را تهديد نمي كنند ، زيرا دامنه هاي پيك شان پايين تر از سطحي است كه تجهيزات حفاظتي ضربه اي از قبيل برقگير را وادار به عمل نمايد . اما اين گذراها به دليل فركانس نسبتاً پاييني كه دارند از ترانسفورماتور كاهنده عبور كرده و بار مشتركين را تحت تأثير قرار مي دهند . اضافه ولتاژهاي ثانويه ايجاد شده ، موجب افزايش قابل توجه ولتاژ يا قطع ناخواسته در راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت ميشوند
مشكلات كيفيت توان ناشي از كليدزني خازن توزيع شامل خروج و يا خرابي تجهيزات مشتركين ( بخاطر اضافه ولتاژ زياد ) ، قطع ناخواسته راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت و يا خاموشي تجهيزات در ساير فرايندها ( ناشي از اضافه ولتاژ ايجاد شده روي باس dc ) ، خروج TVSS و بروز مشكلات در شبكه كامپيوتري ميباشد .
ب - تقويت اضافه ولتاژهاي گذرا :
پديده تقويت اضافه ولتاژهاي گذرا وقتي اتفاق مي افتد كه نوسانات گذراي حاصل از انرژي دار كردن بانك خازني توزيع ، يك رزونانس سري را در سيستم فشار ضعيف ايجاد نمايد . نتيجه اين پديده ايجاد يك اضافه ولتاژ گذراي بيشتر در باس فشار ضعيف است . مطالعات نشان داده است كه بدترين اضافه ولتاژ گذرا تحت شرايط زير اتفاق مي افتد:
1. اندازه بانك خازني سوئيچ شده بصورت قابل ملاحظه اي ( بيش از ده برابر ) بزرگتر از بانك خازني تصحيح كننده ضريب قدرت فشار ضعيف باشد ( براي مثال3Mvar در برابر 200Kvar كه 15 برابر بزرگتر از آن است ) ؛
2. فركانس انرژي دار كردن ، نزديك به فركانس رزونانس سري تشكيل يافته توسط ترانسفورمر كاهنده و بانك خازني تصحيح ضريب قدرت فشار ضعيف باشد . ( براي مثال Hz 490= و Hz670 = )
3. بار فشار ضعيف ، بخش ميرا كننده ( مقاومتي ) بسيار كوچكي داشته باشد
( ساختار سايتهاي صنعتي معمول ، بار موتوري ) ؛
شبيه سازي كامپيوتري و اندازه گيري در كارخانه ( سايت ) ، گذراهايي بين 2 الي 4 پريونيت را نشان داده است كه احتمالاً بيشتر از حد قابل تحمل توسط خازن هاي فشار ضعيف ميباشد . بطور كلي ، اضافه ولتاژهاي گذرا ، به ادوات حفاظتي كم انرژي (MOV ها) آسيب رسانده و يا موجب قطع ناخواسته ادوات الكترونيك قدرت ميشوند . اما در اين فصل ، مواردي كه منجر به خسارت جدي به تجهيزات مشتركين مي گردد ، مورد بررسي قرار خواهد گرفت .
ج - خروج ناخواسته راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت
خروج ناخواسته به قطعي نامطلوب دستگاه راه انداز تنظيم كننده سرعت ( يا ديگر ادوات الكترونيك قدرت ) در اثر اضافه ولتاژ گذرا در باس dc ، گفته ميشود . اغلب اين اضافه ولتاژ بخاطر انرژي دار كردن بانك خازني شبكه توزيع اتفاق مي افتد . با در نظر گرفتن اينكه ، اكثر بانك هاي خازني توزيع با زمان كنترل مي شوند ، درك اين موضوع كه چگونه اين اختلال ميتواند بطور باقاعده و قابل تكراري اتفاق افتاده و موجب قطعي تعداد زيادي از فرآيندها در كارخانه گردد، ساده است .
حادثه قطع ناخواسته يك تريپ اضافه ولتاژ است كه در اثر اضافه ولتاژ ايجاد شده روي باس dc مبدل منبع ولتاژ راه انداز بوجود ميآيد . بطور كلي ، براي حفاظت خازن باس dc واجزاء اينورتر ، ولتاژ باس dc پايش ميشود و اگر مقدار آن از حد معيني بيشتر شود ، راه انداز قطع مي گردد . اين حد معين در حدود 760 ولت است
( براي كاربرد در ولتاژ 480 ولت ) ، كه فقط 117% ولتاژ باس dc در حالت نرمال ميباشد .
پتانسيل وقوع خروج ناخواسته ، به اندازه بانك خازني سوئيچ شونده ، نحوة كنترل اضافه ولتاژها روي اين بانك خازني ، اندازه خازن باس dc راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت و اندوكتانس بين دو خازن بستگي دارد . قابل توجه است كه اين نوع ناخواسته ميتواند حتي در مواقعي كه مصرف كنندگان خازنهاي تصحيح ضريب قدرت نداشته باشند ، نيز اتفاق افتد .
مشكلات كيفيت توان مشتركين ، ناشي از كليد زني بانك هاي خازني را ميتوان با استفاده از روشهاي مختلفي كنترل نمود . گام اول ، تشخيص مشكل ميباشد . سپس ، لازم است كه شركت برق و مشتركين براي يافتن بهترين و مقرون به صرفه ترين راه حل مهندسي با يكديگر همكاري نمايند .
راه حل هاي مناسب به شرح زيرند :
1. گذراي ناشي از انرژي دار كردن بانك خازن را ميتوان با استفاده از وصل اوليه مقاومت / سلف يا كنترل وصل سنكرون ( تكنولوژي هايي كه معمولاً براي سيستم توزيع مورد استفاده قرارمي گيرند ) كنترل كرد .
2. ميتوان برقگيرهاي MOVانرژي بالا را در سيستم فشار ضعيف بكار برد .اين برقگيرها بايستي اضافه ولتاژ را بطور تقريبي در8/1 پريونيت محدود كنند . ميزان جذب انرژي اين برقگيرها بايستي دقيقاً مورد بررسي قرار گيرند ( بايستي چندين هزار ژول باشد ) .
3. ميتوان از فيلترهاي هارمونيكي براي تصحيح ضريب قدرت استفاده نمود . فيلتر تنظيم شونده ، پاسخ مدار را تغيير داده و معمولاً سطح اضافه ولتاژ ديده شده از باس 480 ولت را كاهش ميدهد. براي حفاظت بيشتر ، ميتوان در نقطه اتصال خازنها از MOV استفاده نمود .
4. ميتوان جهت كاهش احتمال خروج ناخواسته ، سلف هاي سري ( chok ) در اين راه اندازها نصب نمود. سلف هايي كه براي اين منظور بكار مي روند ، براحتي در بازار يافت ميشوند و اگر اندازه آنها 3% مقدار نامي راه انداز انتخاب گردد ، معمولاً كافي ميباشد. همچنين ترانسفورمرهاي ايزوله كننده با مقدار نامي مشابه ميتوانند حفاظت لازم را فراهم آورند .
سلف هاي سري يك راه حل كم هزينه براي مسائل كيفيت توان در راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت بوده و داراي مزاياي زير مي باشند :
1. حذف واقعي خروج ناخواسته راه اندازها ، ناشي از كليدزني تصحيح ضريب قدرت شبكه ؛
2. كاهش هارمونيك هاي خط ؛
3. افزايش عمر اجزاء كليد زني ( ترانسفورمرها , SCR ها ) ؛
4. افزايش عمر موتور ؛
5. كاهش درجه حرارت كاركرد موتور ؛
6. كاهش نويز قابل شنيدني موتور ؛
7. مينيمم كردن اغتشاشات هاي قدرت ؛
8. فيلتر كردن نويزهاي الكتريكي ( اعوجاج پالس ها و شكاف ها ) ؛
9. بهبود شكل موج ؛
3-5) عوامل مؤثر در هارمونيك ها
الف – مرور كلي :
هدف اصلي در بهره برداري سيستم قدرت ، تغذيه هريك از مصرف كنندگان با يك ولتاژ سينوسي با دامنه ثابت است .با وجودي كه همه بارهاي متصل به شبكه قدرت طوري طراحي شدهاند كه با شكل موج سينوسي منبع ولتاژ كار كنند , اما بسياري از تجهيزات ,
جريان غير سينوسي از منبع ولتاژ سينوسي مي كشند ، به اين قبيل بارها ، بار غيرخطي گفته ميشود. در بارهاي غيرخطي يعني ارتباط بين ولتاژ و جريان در هر لحظه از زمان ثابت نيست . از آنجاييكه در سيستم هاي قدرت تنظيم ولتاژ صورت ميگيرد ، جريان كشيده شده توسط بار تأثيري بر ادوات مجاور ندارد ، زيرا اين ولتاژ است كه در ادوات متصل به يك باس بار مشترك است نه جريان . جريان هاي غير سينوسي توسط خود بار از شبكه كشيده ميشود و بارهاي متصل شده موازي از آن تأثير نمي گيرند .
ب - منابع هارمونيكي :
منابع هارمونيكي به سه دسته تقسيم ميشوند :
1. ادوات قابل اشباع ؛
2. ادوات جرقه زني ؛
3. ادوات الكترونيك قدرت ؛
همه اين نوع بارها در سيستم مشخصه جريان / ولتاژ غيرخطي دارند . ادوات قابل اشباع و جرقه زني پسيو بوده و عملكرد غير خطي آنها ناشي از مشخصه فيزيكي قوس الكتريكي و هسته آهني ميباشد. در تجهيزات الكترونيك قدرت ، كليدزني قطعه نيمه هادي كه در يك سيكل از فركانس اصلي سيستم قدرت اتفاق مي افتد ، مشخصه غيرخطي را ايجاد ميكند .
اكثر قسمت هاي اين ادوات مولفه هاي جريان هارمونيكي به سيستم قدرت تزريق مي كنند . سطح اعوجاج هارمونيكي ولتاژ بوجود آمده تابعي از امپدانس سيستم و مقدار جريان تزريق شده ميباشد .
ج - روشهاي آناليز هارمونيكي :
به منظور حل مؤثر مشكلات ناشي از اعوجاج هارمونيكي ، يك روش جبران سازي كه شامل نظارت در سايت ، اندازه گيري هارمونيكي و شبيه سازي كامپيوتري است ، مورد نياز ميباشد . ذيلاً ، يك رويه كلي براي آناليز هارمونيكي بيان مي گردد :
1. ارزيابي مقدماتي : براي تعيين فركانسهاي رزونانسي سيستم ميتوان از محاسبات ساده استفاده كرد . وجود رزونانسهاي امپدانس بالا يا امپدانس پايين در نزديكي فركانسهاي هارمونيكي مشخصه بارهايي كه به عنوان منابع هارمونيكي شناخته ميشوند ، اولين نشانه بالقوه وقوع مشكل است .
(1-5)
كه در آن :
اندوكتانس سطح اتصال كوتاه ( راكتانس اتصال كوتاه )
خازن بانك ( راكتانس بانك خازني )
ظرفيت سطح اتصال كوتاه
مقدار نامي بانك خازني
مقدار نامي ترانسفورمر كاهنده
امپدانس ترانسفورمر كاهنده
اين رابطه ساده ، يك تست اوليه عالي را براي سنجش اينكه آيا احتمال ايجاد مشكل بوسيله هارمونيك ها وجود دارد يا خير ، ارائه ميكند . تقريباً ، تمامي مشكلات اعوجاج هارمونيكي وقتي اتفاق مي افتد كه اين رزونانس موازي به هارمونيك هاي مرتبه 5 ام و 7 ام نزديك ميشود . زيرا اين دو هارمونيك ، نوعاً بزرگترين مؤلفه هاي هارمونيكي جريان در بارهاي مصرف كننده غير خطي ( نظير راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت ) مي باشند .
2. اندازه گيري هارمونيكي : هدف از اندازه گيري ، مشخص كردن رفتار منابع هارمونيكي و فراهم نمودن داده هاي مقدماتي درباره شدت مسأله اعوجاج است . اين داده هاي اندازه گيري شده ، براي تائيد جزئيات مدلهاي كامپيوتري و محاسبات دستي ارزش زيادي دارند .
آشكار سازي اوليه مسائل هارمونيكي ميتواند با استفاده از دستگاههاي اندازه گيري جديد كه نقطه پيك شكل موجها را نشان ميدهد يا با استفاده از ابزارهايي كه اطلاعاتي در رابطه با نسبت مقدار مؤثر كل به مقدار مؤثر مولفه اصلي ارائه مي دهند ، انجام ميشود .
اغلب ، اندازه گيري ها در شبكه هاي توزيع بدليل نياز به مبدل ، بسيار مشكل تر از اندازه گيري در سمت مصرف كننده ( كارگاه صنعتي ) است . احتمالاً كلاس هاي موجود CT ها و PT هاي اندازه گير ، براي بدست آوردن داده هاي هارمونيكي استفاده ميشوند .
3. محاسبات و شبيه سازي : از آنجائيكه روشهاي نمايش مولفه هاي مهم در سيستم قدرت توسعه يافته و دقتشان از طريق مقايسه با داده هاي اندازه گيري شده مورد تائيد قرار گرفته است ، به كمك آنها ، محدوده وسيعي از شرايط ايجاد شده قابل تشخيص گرديده است . از جمله ميتوان ساختار سيستم هايي را كه ايجاد رزونانس مي كنند ، شناسائي نموده و همچنين ساختارهاي مختلف ميتوانند از اين نظر مورد آزمون قرار گيرند .
شبيه سازي در حوزه فركانس ( مشخصه امپدانس بر حسب فركانس ) قادر است مشخص كند كه آيا ساختار سيستم ميتواند باعث ايجاد مسائل هارمونيكي به دليل شرايط رزونانسي بشود يا خير ( شكل (3-4) ) و شبيه سازي اعوجاج هارمونيكي براي ارزيابي تأثير فيلترهاي هارمونيكي يا تكنيك هاي ديگر در كاهش هارمونيك بكار برده ميشوند .
4. توسعه راه حل : سطوح ولتاژ هارمونيكي تعيين شده از طريق شبيه سازي و اندازه گيري با حدود توصيه شده مقايسه ميشوند . اگر سطوح اعوجاج ولتاژ هارمونيكي در محدودة قابل قبول نباشد ، مشخصه پاسخ فركانس دستگاهها يا سيستم ميتواند با عوض كردن مقدار خازن يا مكان آن و يا با نصب فيلترهاي هارمونيكي تغيير داده شود .
د ـ اثر هارمونيك ها بر ضريب قدرت :
روش سنتي تصحيح ضريب قدرت در سيستم قدرت و در تاسيسات مصرف كنندگان,
استفاده از بانك هاي خازني موازي بوده است . اين مسأله از آن حقيقت ناشي ميشود كه اغلب بارهاي سيستم در فركانس اصلي ، جريان پس فاز از شبكه مي كشند . خازنها ، در فركانس اصلي ، جريان پيش فاز مي كشند و لذا ميتوانند براي جبران سازي جريانهاي كشيده شده توسط بارهاي القائي بكار روند .
اين مشخصات پيش فازي و پس فازي جريان براين فرض استوار است كه بارهاي روي سيستم ، مشخصه ولتاژ - جريان خطي دارند و اعوجاج هارمونيكي ولتاژ و جريان اهميت چنداني ندارد . با اين فرضيات ، ضريب قدرت با ضريب قدرت جابجايي(DPF) برابر است . محاسبه ضريب قدرت جابجايي با استفاده از مثلث ضريب قدرت انجام ميشود و با رابطه زير بصورت خلاصه بيان ميگردد :
(2-5)
اعوجاج هارمونيكي در جريان و يا ولتاژ كه بوسيله بارهاي غير خطي در سيستم ايجاد ميشود ، روش محاسبه ضريب قدرت را تغيير ميدهد .
ضريب قدرت صحيح بصورت نسبت توان حقيقي به ولت آمپر كل در مدار ، تعريف ميشود .
(3-5)
مقدارTPF ، سنجشي است از اينكه توان حقيقي با چه بهره وري واقعي بكار برده
است . از آنجاييكه خازنها تنها در فركانس نامي توليد توان راكتيو مي كنند ، لذا
نمي توانند در حضور هارمونيك TPF را اصلاح كنند . در واقع ، خازنها با ايجاد شرايط رزونانس اعوجاج هارمونيكي ولتاژ و جريان را تقويت كرده و TPF بدتري را بوجود مي آورند . به دليل اينكه جرايم مربوط به ضريب قدرت ساليانه تقريباً بطور كلي برDPF پايه است ،DPF هنوز براي بسياري از مشتركين صنعتي اهميت زيادي دارد .
هـ - روشهاي حل مسائل هارمونيكي :
اغلب مشكلات مربوط به هارمونيك ها ، ابتدا در بانك هاي خازني خودشان را نشان مي دهند . مهمترين دليل اين موضوع آن است كه خازنها مدارهاي تشديد تشكيل
ميدهند كه سطوح جريان هارمونيكي را تقويت كرده و موجب افزايش سطوح اعوجاج ولتاژ ميشوند .
در اين مدار تشديد ، بيشترين سطح اعوجاج ولتاژ در بانك خازني ايجاد ميشود .
در نتيجه چنين پديده اي ، جريانهاي خازني بالايي در فركانسهاي هارمونيكي ايجاد مي گردد و اضافه دماي ناشي از مقدار مؤثر زياد جريان يكي از موردهاي معمول خطاي ايجاد شده در چنين شرايطي است .
همچنين سوختن فيوز محافظ بانك خازني ميتواند به موجب جريان هارمونيكي بالا اتفاق بيافتد . اساساً جريان مؤثر عبوري از خازن ميتواند بخاطر وجود هارمونيك ها به ميزان زيادي افزايش يابد، به دليل امپدانس پايين بانك خازني ، حتي وقتي كه اعوجاج ولتاژ كمي در فركانس هاي هارمونيكي وجود دارد ، اين مسئله اتفاق مي افتد .
در صورتيكه اعوجاج هارمونيكي قابل ملاحظه باشد ، خطاي شكست عايقي نيز ميتواند به موجب بالا بودن پيك ولتاژ اتفاق بيافتد ، زيرا مقدار پيك ولتاژ ميتواند برابر با جمع جبري همه ولتاژهاي هارمونيكي باشد .
در وقايعي كه حدود اغتشاش ايجاد شده در حدود قابل قبول نباشد ، مشخصه پاسخ فركانسي سيستم ميتواند با تغيير اندازه خازن و يا محل نصب آن ، تغيير مشخصه منبع ، يا با طراحي فيلترهاي هارمونيكي تغيير داده شود .
فيلترها معمول ترين راه حل چنين مشكلي هستند ، زيرا يك فيلتر ميتواند جابجايي توان راكتيو در فركانس اصلي و يك مسير امپدانسي كم براي عبور مؤلفه هاي جريان هارمونيكي بوجود آورد .
اجزا فيلتر بايستي بطور ويژه براي تحمل مؤلفه هاي هارمونيكي همراه با جريانها و ولتاژهاي فركانس اصلي طراحي شوند .
روش معمول براي طراحي فيلتر به قرار زير است :
1. در گام اول ، بكارگيري يك فيلتر موازي تك تنظيمه طراحي شده براي كمترين هارمونيك توليد شده ( معمولاً مرتبه 5 ام ) . عموماً ،استفاده از خازنها با ولتاژ سيستم توصيه ميشود .
2. تعيين سطح اعوجاج ولتاژ در باس ، حد 5% ( THD )كه در استاندارد IEEE std 19-1992 توصيه گرديده معمولاً به عنوان حد قابل قبول هارمونيك هاي ولتاژ استفاده ميشود .
3. در صورت نياز ، تعيين شود كه آيا سطوح جريان هارمونيكي با مقادير داده شده در استاندارد مطابقت دارد يا خير ؟ اگر مطابقت نداشته باشد ممكن است به فيلترهاي چند طبقه نياز باشد .
4. تغيير اجزاء فيلتر مطابق با تلرانس هاي مشخص شده و تست كردن بازده آن ؛
5. آزمايش مشخصه پاسخ فركانس فيلتر كه اثبات شود رزونانس موازي جديداً ايجاد شده ( پس از نصب فيلتر ) ، در نزديكي هيچيك از فركانسهاي هارمونيكي نمي باشد ( براي مثال فيلتر هارمونيك 7 ام ممكن است يك رزونانس هارمونيك 5 ام جديد ايجاد كند ) .
IEEE std. 519-1992 استانداري است كه به لزوم محدود سازي جريان هارمونيكي تزريقي مصرف كننده به شبكه قدرت، اشاره ميكند . همچنين ، اين استاندارد با تعيين ماكزيمم سطوح اعوجاج هارمونيكي ولتاژ ، مصرف كننده را در برابر اين قبيل اعوجاجها محافظت مي نمايد . اين استاندارد بايستي به عنوان راهنما در طراحي سيستم قدرت با بارهاي غير خطي مورد استفاده قرار گيرد .
4-5) نتيجه گيري :
1. مشكلات ناشي از كيفيت توان مشتركين را ميتوان با استفاده از روشهاي مختلفي كنترل كرد. گام اول ، شناخت مشكل است ، سپس ، مشتركين و شركت برق مهندسي براي مشكل مذكور با يكديگر همكاري كنند .
2. تجهيزات و دستگاههايي كه امروزه در سيستم قدرت بكار برده ميشوند نسبت به تجهيزاتي كه قبلاً استفاده مي شدند ، به تغييرات كيفيت توان حساسترند .
3. تأكيد بيشتر بر بازده سيستم قدرت ، موجب رشد مداوم استفاده از بانك هاي خازني موازي گرديده است . اين روند در تأسيسات مصرف كنندگان نيز به همان شدت مشاهده ميشود .
4. تقويت گذراهاي كليدزني خازني بدليل اينكه توليد اضافه ولتاژهاي گذراي خيلي شديدي نموده و سطوح انرژي مربوطه به اين گذراها ميتواند باعث صدمه ديدن و خرابي تجهيزات شود ، احتمالاً مهمترين پديده است كه استفاده از خازنهاي موازي در شبكه موجب آنست .
5. امكان خروج ناخواسته راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت ، به موجب كليدزني خازني شبكه ، ميتواند در صورت بكارگيري يك چوك در ورودي به ميزان قابل توجهي كاهش يابد . معمولاً استفاده از چوك با اندازه اي برابر 3% مقدار نامي راه انداز كافي بنظر مي رسد .
6. سطوح اعوجاج هارمونيكي ميتواند با بكار گيري فيلترهاي هارمونيكي كاهش يابد . استانداردهاي هارموينكي از قبيل IEEE std. 519-1992 بايستي بعنوان Benchmark براي ارزيابي عملكرد فيلتر مورد استفاده قرار گيرند .
اثر هارمونيك ها بر خازن ها
نقش خازنها به عنوان المان هاي الكتريكي و الكترونيكي كارآمد در صنايع مربوط به توليد و انتقال و توضيع امروزي غير قابل انكار است بگونه اي كه ديگر هرگز نمي توان چنين صنايعي را بدون وجود خازنهاي نيرو متصور شد.از اين رو شناخت كامل خازنها و عوامل تاثير گذار برآنها و حفظ و نگهداري و نظارت دقيق بر آنها ، براي افزايش طول عمر خازن ها و كار كرد بهينه آنها امري است الزامي و اجتناب ناپذير.
کاربرد هارمونیک
درسالهاي اوليه هارمونيكها در صنايع چندان رايج نبودند.به خاطر مصرف كننده هاي خطي متعادل. مانند : موتورهاي القايي سه فاز،گرم كنندها وروشن كننده هاي ملتهب شونده تا درجه سفيدي و ..... اين بارهاي خطي جريان سينوسي اي در فركانسي برابر با فركانس ولتاژ مي كشند. بنابراين با اين تجهيزات اداره كل سيستم نسبتا با سلامتي بيشتري همراه بود.
ولي پيشرفت سريع در الكترونيك صنعتي در كاربري صنعتي سبب بوجود آمدن بارهاي غير خطي صنعتي شد. در ساده ترين حالت ، بارهاي غيرخطي شكل موج بار غير سينوسي از شكل موج ولتاژ سينوسي رسم مي كنند (شكل موج جريان غير سينوسي).
پديدآورنده هاي اصلي بارهاي غير خطي درايوهاي AC / DC ، نرم راه اندازها ، يكسوسازهاي 6 / 12 فاز و ... مي باشند. بارهاي غيرخطي شكل موج جريان را تخريب مي كنند. در عوض اين شكل موج جريان شكل موج ولتاژ را تخريب مي نمايد. بنابراين سامانه به سمت تخريب شكل موج در هر دوي ولتاژ و جريان مي شود. در اين مقاله سعي شده است
تا بزباني هرچه ساده تر توضيحي در مورد نحوه عملكرد هارمونيك ها و راه كاري براي دوري از تاثير گذاري آنها بر خازنها ي نيرو ارائه شود.
اساس هارمونيك ها :
اصولا هارمونيك ها آلوده سازي شكل موج را در اشكال سينوسي آنها نشان مي دهند. ولي فقط در مضارب فركانس اصلي . تخريب شكل موج را مي توان در فركانس هاي مختلف (مضارب فركانس اصلي) بعنوان يك نوسان دوره اي بوسيله آناليز فوريه تجزيه و تحليل كرد. در حال حاضر هارمونيكهاي فرد و زوج و مرتبه 3 در اندازه هاي مختلف ضرايب فركانس هاي مختلف در سامانه هاي الكتريكي موجودند كه مستقيما تجهيزات سامانه الكتريكي را متاثر مي سازند
در معنايي وسيعتر هارمونيكهاي زوج و مرتبه 3 هريك تلاش مي كنند كه ديگري را خنثي نمايند. ولي در مدت زماني كه بار نا متعادل است اين هارمونيك هاي زوج و مرتبه 3 منجر به اضافه بار در نول و اتلاف انرژي شديد مي شوند. با تمام احوال هارمونيك هاي فرد اول مانند هارمونيك پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و .... عملكرد اين تجهيزات الكتريكي را تحت تاثير قرار مي دهند. براي فهم بهتر تاثير هارمونيك ها ، شكل زير تاثير تخريب هارمونيك پنجم بر شكل موج سينوسي را نشان مي دهد :
هارمونيك هاي ولتاژ و جريان تاثيرات متفاوتي بر تجهيزات الكتريكي دارند. ولي عموما بيشتر تجهيزات الكتريكي به هارمونيكهاي ولتاژ بسيار حساس اند. تجهيزات اصلي نيرو مانند موتورها، خازن ها و غيره بوسيله هارمونيكهاي ولتاژ متاثر مي شوند.
به طور عمده هارمونيكهاي جريان موجب تداخل مغناطيسي (Magnetic Interfrence) و همچنين موجب افزايش اتلاف در شبكه هاي توزيع مي شوند. هارمونيكهاي جريان وابسته به بار اند ، در حالي كه سطح هارمونيكهاي ولتاژ به پايداري سامانه تغذيه و هارمونيكهاي بار (هارمونيكهاي جريان) بستگي دارد. عموما هارمونيك هاي ولتاژ از هارمونيك هاي جريان كمتر خواهند بود.
تشديد:
اساسا تشديد سلفي – خازني در همه انواع بارها مشاهده مي شود. ولي اگر هارمونيك ها در شبكه توضيع شايع نباشند تاثير تشديد فرونشانده مي شود.
در هر تركيب سلفي – خازني چه در حالت سري و چه در حالت موازي ، در فركانسي خاص تشديد رخ مي دهد كه اين فركانس خاص فركانس تشديد ناميده مي شود. فركانس تشديد فركانسي است كه در آن رآكتنس خازني (Xc) و رآكتنس القايي (XL) برابر هستند.
براي تركيبي مثالي براي بار صنعتي كه شامل اندوكتانس بار و يا رآكتنس ترانسفورماتور كه بعنوان XL عمل مي كند و رآكتنس خازن تصحيح ضريب توان كه بصورت Xc خودنمايي مي كند فركانس تشديدي برابر با LC خواهيم داشت . رآكتنس خازني متناسب با فركانس كاهش مي يابد (توجه : Xc با فركانس نسبت عكس دارد). در حاي كه رآكتنس القايي متناسب با آن افزايش مي يابد (توجه
: XL با فركانس نسبت مستقيم دارد).اين فركانس تشديد به سبب متغير بودن الگوي بار متغير خواهد بود. اين مساله براي ظرفيت خازني ثابت كل براي اصلاح ضريب توان پيچيده تر است. براي درك صحيح اين پديده لازم است دو نوع وضعيت تشديد شامل حالت تشديد سري و حالت تشديد موازي مورد توجه قرار گيرند. اين دو امكان در زير توضيح داده مي شوند.
تشديد سري:
يك تركيب سري رآكتنس سلفي – خازني ، مدار تشديد سري شكل مي دهد كه در شكل زير نشان داده شده است.
به خاطر تركيب سري سلف و خازن ، در فركانس تشديد امپدانس كل به پايين ترين سطح كاهش مي يابد و اين امپدانس در فركانس تشديد طبيعتي مقاومتي دارد. بنا براين در فركانس تشديد رآكتنس خازني و رآكتنس سلفي (القايي) برابر هستند.اين امپدانس پايين براي توان ورودي در فركانس تشديد ، افزايش تواني جريان را نتيجه مي دهد.شكل داده شده زير رفتار امپدانس خالص در وضعيت تشديد سري را نشان مي دهد.
در كاربري صنعتي رآكتنس ترانسفورماتور قدرت به علاوه خازنهاي اصلاح ضريب توان در سمت ولتاژ پايين به عنوان يك مدار تشديد موازي براي سمت ولتاژ بالاي ترانسفورماتور عمل مي كند. اگر اين فركانس تشديد تركيب سلف و خازن بر فركانس هارمونيك شايع در صنعت منطبق شود ، بخاطر بستري با امپدانس پايين ارائه شده توسط خازن ها براي هارمونيك ها ،
منجر به افزايش تواني جريان خازن ها خواهد شد. از اين رو خازن هاي ولتاژ پايين در سطحي بسيار بالا اضافه بار پيدا خواهند كرد كه همچنين اين عمل موجب تحميل بار اضافي بر ترانسفورماتور مي شود. اين پديده منجر به تخريب ولتاژ در شبكه ولتاژ پايين مي شود.
تشديد موازي:
يك تشديد موازي تركيبي از رآكتنس خازني و القايي است كه در شكل زير نمايش داده شده است.
در اينجا رفتار امپدانس برعكس حالت تشديد موازي خواهد بود كه در شكل داده شده در زير ، نشان داده شده است.در فركانس تشديد امپدانس منتجه مدار به مقداري بالا افزايش مي يابد. اين ، منجر به بوجود آمدن مدار تشديد موازي ميان خازن هاي اصلاح ضريب توان و اندوكتانس بار مي شود كه نتيجه آن عبور ولتاژ بسيار بالا هم اندازه امپدانس ها و جريان هاي گردابي بسيار بالا درون حلقه خواهد بود.
در كاربري صنعتي خازن اصلاح ضريب توان مدار تشديد موازي با اندوكتانس بار تشكيل مي دهد.هارمونيك هاي توليد شده از سمت بار رآكتنس شبكه را افزايش مي دهند. كه موجب بلوكه شدن هارمونيك هاي سمت تغذيه مي شود.
اين منجر به تشديد موازي اندوكتانس بار و اندوكتانس خازني مي شود. مدار LC (سلفي – خازني) مواز ي ، شروع به تشديد ميان آنها مي كند كه منجر به ولتاژ بسيار بالا و جريان گردابي بسيار بالا در درون حلقه مدار سلف – خازن (LC) مي شود. نتيجه اين امر آسيب به تمام سمت ولتاژ پايين سامانه الكتريكي است.
ايزوله كردن تشديد موازي از ايزولاسيون تشديد سري نسبتا پيچيده تر است.اساسا اين امر بخاطر تنوع بار صنعتي از زماني به زمان ديگر است كه موجب تغيير فركانس تشديد مي شود. شكل زير تاثير ظرفيت خازني ثابت و اندوكتانس متغير را نشان مي دهد.
اين تغيير مداوم فركانس تشديد ممكن است موجب تطبيق فركانس تشديد بر فركانس هارمونيك شود كه ممكن است منتج به ولتاژ بالا و جريان بالا كه سبب نقص و خرابي تجهيزات الكتريكي مي شوند ، گردد.بنا بر اين در هر دو تشديد موازي و سري خازنهاي قدرت متاثر هستند كه بكار گيري دستگاه هاي حفاظتي و ايمني را براي خازنها ايجاب مي نمايد. اين امر درك صحيح بر خازنهاي قدرت را قبل از از اعمال تصحيح بخاطر تاثير هارمونيك ها و تشديد ايجاب مي نمايد.
خازنهاي قدرت:
خازنهاي اصلاح ضريب توان نسبت به هارمونيك ها حساس اند و بيشتر عيوب خازنهاي قدرت ، عيوبي با طبيعت زير را نشان مي دهند :
هارمونيك ها – هارمونيك هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و ...
تشديد
اضافه ولتاژ
امواج كليد زني
جريان هجومي
ولتاژ آني بازگيري جرقه
تخليه / بازبست ولتاژ
بسته به طراحي ساختاري اساسي ، حدود پايداري در مقابل اضافه ولتاژ ، اضافه جريان و هارمونيكها براي دور كردن خازن از خرابي بسيار مهم است.
اساسا خازن ها امواج كليد زني توليد مي كنند كه عموما به عنوان جريان هجومي و اضافه ولتاژ آني دسته بندي مي شوند.
جريان هجومي پديده اي است كه هنگام به مدار وصل كردن خازن ها رخ مي دهد. امپدانس ارائه شده توسط خازن طبيعتا بسيار كم و مقاومتي است. اين امر منجر به جريان هجومي به بزرگي 50 تا 100 برابر جريان اسمي مي شود كه از خازن عبور مي كند ،
اما چرا از خازن؟ زيرا امپدانس ترانسفورماتور در زمان روشن كردن خازن ها فقط در مقابل شار جريان مقاومت مي كند.
اين امر هنگامي پيچيده تر مي گردد كه در تركيب موازي بانك خازني ممكن است جريان هجومي كليد زني به سطحي بالاتر از 200 تا 300 برابر جريان اسمي برسد. اين جريان هجومي نتيجه تخليه خازن هاي از پيش شارژ شده موازي با آن مي باشد. در زير اين مطلب نشان داده شده است.نوعا جريان هجومي علاوه بر تخريب در شكل موج جريان سبب تخريب در شكل موج ولتاژ مي شود.
در هنگام خاموش كردن (از مدار خارج كردن) خازن ها ، بسته به شارژ ذخيره شده در آن ، اضافه ولتاژ ناگهاني بالاتري در زمان خاموش كردن خازن ها بوجود خواهد آمد كه ممكن است موجب پديد آمدن جرقه در پايه ها شود.
هنگامي كه خازن خاموش مي شود شار الكتريكي در خود نگه مي دارد و بوسيله مقاومتهاي تخليه ، تخليه (Discharge) مي شود. مدت زمان تخليه عموما بين 30 تا 60 ثانيه مي باشد. تا زماني كه تخليه بشكل موثري صورت نگرفته نمي توان خازنها را به مدار باز گرداند. هرگونه بازبست خازن قبل از تخليه كامل دوباره موجب افزايش جريان هجومي مي شود.
علاوه بر دستگاه هاي مسدود كننده هارمونيك ها كه با صحت خازن ها نسبت مستقيم دارند ، و در سر خط بعدي تشريح مي شوند ، دستگاه هاي تحليل برنده امواج كليد زني مثل جريان هجومي ، اضافه ولتاژ آني و غيره نياز دارند كه بطور دقيق تعريف و بررسي شوند.
دستگاه هاي مسدود كننده هارمونيك ها:
براي كاربري سالم خازن ها لازم است كه فركانس تشديد مدار LC (سلف – خازن) كه شامل ادوكتانس بار و خازنهاي اصلاح ضريب توان مي شود ، به فركانسي دور از كمترين فركانس هارمونيك تغيير داده شود. براي مثال هارمونيك هايي كه در سامانه توليد مي شوند و خازن هاي قدرت را متاثر مي سازند ، هارمونيك هاي پنجم ، هفتم ،
يازدهم ، سيزدهم و غيره هستند. پايين ترين هارمونيكي كه بر خازن ها تاثير مي گذارد هارمونيك پنجم است كه در فركانس 250 هرتز ديده مي شود. اساسا اگر خازن ها با سلف ها موازي شده باشند ، انتخاب مقدار اندوكتانس به شكل زير است :
تركيب سري LC (سلف – خازن) در فركانسي زير 250هرتز تشديد مي كند . بنابراين در همه فركانس هاي هارمونيك ها تركيب سري سلف و خازن مانند يك تركيب سلفي عمل خواهد كرد و امكان تشديد براي هارمونيك پنجم يا هر هارمونيك بالاتري از بين مي رود. شكل زير ناميزان سازي (De – Tuning) خازن ها را نشان مي دهد.
اين تركيب سلف و خازن كه در آن فركانس تشديد در فركانسي دور از فركانس هارمونيك تنظيم شده است ، مدار LC (سلف – خازن) ناميزان شده
(De-Tuned) نام دارد. ضريب نا ميزان سازي نسبت رآكتنس به طرفيت خازني است. در مدار خازني ناميزان شده ، اساسا سلف مانند دستگاه مسدود كننده هارمونيك ها عمل مي كند. براي خازن ها ضريب مناسب ناميزان سازي حدود % 7 است كه فركانس تشديد را در 189 هرتز تنظيم مي كند.
اما ، ناميزان سازي % 5.67 همچنين در جايي استفاده مي شود كه فركانس تشديدي معادل 210 هرتز دارد . هر دو درجه ناميزان سازي ، مسدود كردن (بلوكه كردن) هارمونيك ها از خازن ها را تضمين مي كنند. شكل زير درجه ناميزان سازي را نمايش مي دهد.
