theme wordpress
بانک خازنیتابلو برقتجهیزات، ادوات و دستگاه های اندازه گیری برقترانسفورماتور قدرتحفاظت و رلهدیتا سنترژنراتورکابل کشیکنترل و ابزار دقیقکیفیت توان

هارمونیک ها چگونه بر عملکرد موتورها و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خازن ها و غیره تأثیر مخرب می گذارند

تاثیر هارمونیک ها

اعوجاج در شکل موج جریان بار هر دستگاه غیرخطی   باعث تغییرات مشابه در شکل موج ولتاژ نسبت به امپدانس هارمونیک شبکه منبع می شود. این اعوجاج ولتاژ هم بر روی جریان و  هم بر روی ولتاژ تمام بارهای دیگر متصل به سیستم تأثیر می گذارد.

مطالب مرتبط :

هارمونیک چیست و چگونه آنها را فیلتر و از سیستم حذف کنیم؟

تاثیر ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور دیتاسنترها

 

هارمونیک های بد که بر موتورها و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خازن ها و تجهیزات دیگر تأثیر می گذارند (عکس دستگاه اندازه گیری کیفیت توان Fluke 437-II)
هارمونیک های بد که بر موتورها و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خازن ها و تجهیزات دیگر تأثیر می گذارند (عکس دستگاه اندازه گیری کیفیت توان Fluke 437-II)

اثرات رایج چنین اعوجاج های هارمونیکی به شرح زیر است:

  1. موتورها و ژنراتورها
  2. ترانسفورماتور
  3. خازن ها
  4. کابل های قدرت
  5. تجهیزات الکترونیکی
  6. تابلو برق و رله ها
  7. فیوزها
  8. تداخل در سیستم های ارتباطی 

1- موتورها و ژنراتورها

ژنراتورها و موتورها از طریق وجود هارمونیک ها در شبکه هایی که به آنها متصل هستند، به شدت تحت تاثیر مخرب قرار می گیرند. اثرات معمول عبارتند از:

  • افزایش حرارت به دلیلتلفات آهن و مس   در فرکانس های هارمونیکی
  • ایجاد صدای بیشتر به خاطر وجود هارمونیک در مقایسه با تحریک کاملا سینوسی
  • ایجاد جریان های هارمونیکی در روتور

جریان های هارمونیک ذکر شده در بالا به علت وجود هارمونیک در سیم پیچ استاتور ایجاد می شوند،   که جریان های هارمونیکی در روترو تولید می کنند به عنوان مثال، هارمونیک های مرتبه 5 و 7 استاتور،  هارمونیک های مرتبه ۶ را در روتور تولید می کنند، در حالی که هارمونیک های مرتبه هفتم و هشتم استاتور ، هارمونیک های مرتبه ۱۲ را در  روتور تولید خواهند کرد.

این جریان های هارمونیکی روتور باعث افزایش گرما و گشتاورهای ضربه ای و کاهش گشتاور می شوند.

لازم به ذکر است که   عدم تعادل سیستم (نا متعادلی های پایدار یا خطاهای زمین) ، شناخته شده به عنوان جریان های توالی منفی، همچنین می تواند در روتور به عنوان جریان هارمونیک تاثیر بگذارند، که به موارد ذکر شده در بالا اضافه می شوند

مطلب مرتبط :

جریان توالی منفی چیست و چگونه کار مولد(ژنراتور) را تحت تاثیر قرار می دهد

ژنراتورها همچنین می توانند هارمونیک تولید کنند و به ویژه هارمونیک های ضریب سه که می تواند از طریق ترانسفورماتور مجاور Wye  زمین شده هنگامی که ژنراتور ها به طور مستقیم به یک باس بار متصل می شود جریان پیدا کنند. استفاده از ترانسفورماتور ژنراتور با اتصال مثلث می تواند این جریان های هارمونیک را کنترل کند.

2- ترانسفورماتور

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

هارمونیک های تولید شده توسط بارهای غیرخطی مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD) جریان های غیر سینوسی را بر روی ترانسفورماتورهای قدرت که چنین بارهایی را تامین می کند، ایجاد می کنند.   در نتیجه افزایش قابل توجهی در تلفات و افزایش دما را خواهیم دید.

با اضافه شدن جریان های 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 می یابد) یا ترانسفورماتور باید یک ترانسفورماتور ویژه با توان نامی “K تعویض شود.

پلاک ترانسفورماتور K-factor
پلاک ترانسفورماتور K-factor

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

فاکتور “K” براساس تخمین تلفات های پیش بینی شده در استاندارد ANSI / IEEE C57.110 [S14] مشخص شده است

3-خازن ها

هر خازنی در یک شبکه AC می تواند باعث ایجاد خطر تشدید با قطعات القایی شبکه شود. اگر چه شبکه های الکتریکی طوری طراحی می شوند که هیچ گونه رزونانسی در فرکانس های اصلی وجود نداشته باشد، اما هنگامی که اثرات فرکانس های چندگانه  اعوجاج های هارمونیک در نظر گرفته می شود، همیشه خطر احتمال تشدید سیستم وجود دارد.

این ها و دیگر اثرات هارمونیک در خازن ها به شرح زیر است:

  • رزونانس ولتاژ جریانهای قابل ملاحظه ای را در خازن ها ایجاد می کند.
  • بانک خازنی به عنوان یک دریافت کننده جریان های هارمونیک بالاتر عمل می کند که باعث افزایش گرما و تنش دی الکتریک آنها می شود.
  • تلفات در یک خازن متناسب با خروجی توان راکتیو ( kVAR ) است که به نوبه خود متناسب با فرکانس است. این تلفات افزایش می یابد و عمر خازن ها با افزایش هارمونیک ها کوتاه می شود.

برای جلوگیری یا به حداقل رساندن چنین مشکلی، بانک های خازنی می توانند با استفاده از راکتورها هارمونیک های خاصی را حذف کنند. .

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

مکان های معمول استفاده شده در شکل 2 زیر نشان داده شده است.

 شکل 2 – نمودار تک خطی برای یک سیستم صنعتی

شکل 2 - نمودار تک خطی برای یک سیستم صنعتی
شکل 2 – نمودار تک خطی برای یک سیستم صنعتی

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

اجتناب از مشکلات رزونانس

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

  • به طور کلی توان راکتیو بیشتری برای سیستم در دسترس است
  • کنترل راحت تر ولتاژ و جریان های هارمونیکی
  • کاهش هزینه ها، زیرا بانک های بزرگ از لحاظ هزینه خرید ارزان تر هستند
  • راکتورها را می توان به گونه ای اضافه کرد تا سیستم را از فرکانس های رزونانس دور نگه داشت

خازن ها همچنین می توانند با راکتورها ترکیب شوند تا فیلتر های هارمونیک را در فرکانس های هارمونیکی رزونانسی مشکل زا ایجاد کنند. فرکانس رزونانس در باس خازنی را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

جایی که:

  • fr فرکانس رزونانس است
  • fs فرکانس سیستم 60 یا ۵۰ هرتز است
  • kVAsc سطح خطای سه فاز سیستم بر حسب kVA است
  • kVAc توان نامی خازن سه فاز بر حسب kVA است

4-کابل های برق قدرت

کابل های قدرت به طور ذاتی خازنی هستند و همانطور که در بالا برای بانک های خازنی اشاره شد، ظرفیت آنها می تواند منجر به تشدید با بخش های القایی شبکه شود.

این خطرات رزونانس و خود هارمونیک می تواند مشکلات زیر را برای سیستم های کابل تولید کند:

  • کابل هایی که در معرض رزونانس قرار می گیرند، 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.

هادی های کابل برق معمولا نزدیک به یکدیگر نصب و خوابانده می شوند و بنابراین جریان های فرکانس بالا در پوست بیرونی یک هادی، توزیع و رفتار جریان های فرکانس بالا در پوست هادی های مجاور را تحت تأثیر قرار می دهند و موجب ایجاد  “اثر مجاورتی” می شوند.

اثر پوستی و اثر مجاویت با توان ۲ فرکانس متناسب است.   بنابراین اگر در کابلهای هارمونیک قابل ملاحظه ای وجود داشته باشد، به خصوص اگر ITHD  بیشتر از ۱0 درصد باشد، جریان نامی کابل ها باید با ضریب کاهشی یا دیرتینگ محاسبه و سایز شوند.

کابل فیدر درایو

فیدر کابل برق به هر درایو متغیر فرکانس (VFD) جریان 50 هرتز اصلی یا سینوسی به همراه جریان هارمونیک تولید شده توسط درایو را حمل می کند.  اندازه فیدر انتخاب شده می بایست 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.

 شکل 3 – دیریتینگ كابل در مقابل هارمونيك ها با توزيع جريان هارمونيك شش پالسی

شکل 3 - دیریتینگ كابل در مقابل هارمونيك ها با توزيع جريان هارمونيك شش پالسی
شکل 3 – دیریتینگ كابل در مقابل هارمونيك ها با توزيع جريان هارمونيك شش پالسی

شکل 3، ضرایب دیریتینگ کابل را در برابر درصد جریان هارمونیک مرتبط با یک VFD معمولی 6 پالس را نشان می دهد. با توجه به اثر پوستی، دیریتینگ بیشتری برای هادی های بزرگتر مورد نیاز است.

یک   مقاله نوشته شده توسط Hiranandani  روش اجرای   محاسبات ظرفیت کابل  شامل اثرات هارمونیک ها را بیان کرده است. برخی از تولید کنندگان کابل نرم افزار کامپیوتر خود را دارند و می توانند در سایز کابل ها برای درایو ها به آنها کمک کنند

از نظر استفاده از کابل برای درایوهای سرعت متغیر، و یا دیگر منابع قابل توجه هارمونیک  ، توصیه های زیر را می توان داد:

  • از کابل های سه هادی استفاده کنید و از استفاده از کابل های تک هادی جلوگیری کنید
  • از هادیهای بزرگ برای به حداقل رساندن تلفات ناشی از اثر پوستی جلوگیری کنید. اندازه هادی نباید بیش از 150 میلیمتر مربع باشد.
  • برای تجهیزات بالاتر از 600 ولت از کابل های شیلد دار استفاده کنید

5-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 سیستم های کنترل برای دستگاه های الکترونیک قدرت از تشخیص عبور از صفر برای کنترل سوئیچینگ استفاده می کنند.

اعوجاج هارمونیک می تواند منجر به جابه جایی ولتاژ عبور نقطه صفر شوند و این تغییرات می تواند برای بسیاری از انواع مدار کنترل الکترونیکی مشکل زا باشد. همچنین، اگر سوئیچ نادرست رخ می دهد، هارمونیک های بیشتری تولید می شوند، و باعث افزایش مشکل می شود.

6-تابلو های برق و رله ها

جریان های هارمونیکی در تابلو ها گرما و تلفات را در تابلوهای برق افزایش می دهند همانطور که برای کابل های برق مورد بحث قرار گرفت. به همین ترتیب، اعوجاج ولتاژ می تواند مشکلاتی برای ترانسفورماتورهای ولتاژ و رله های متصل شده به آنها  ایجاد کند، در حالی که اعوجاج جریان می تواند 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 رله های آندر فرکانس استاتیک که از   عبور صفر برای اندازه گیری فرکانس  استفاده می کنند به ایجاد هارمونیک حساس هستند و هارمونیک باعث اختلال عملکرد آنها می شود

هارمونیک همچنین می تواند سرعت عملکرد رله های دیفرانسیلی الکترومغناطیسی را مختل کند.

رله های دیجیتال مدرن    از تکنیک های فیلتر کردن برای تولید فرکانس اصلی استفاده می کنند به طوری که مدار های جریان خطا و ولتاژ اندازه گیری به طور قابل توجهی توسط هارمونیک تحت تاثیر قرار نمی گیرند.  برای فیلتر کردن صحیح ،الگوریتم رله نیاز  دراد تا فرکانس سیستم را ردیابی کند و اکثر رله ها 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 می توان 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 فیلتر های فرکانس بالا.

7-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   نشانه ای از وجود هارمونیک های غیر منتظره یا تغییرات در ترکیب هارمونیک ها در آن سیستم است.

تداخل سیستم های ارتباطی

سیستم های ارتباطی حساس به تداخل ناشی از هارمونیک ها هستند، به ویژه آنهایی که در محدوده فرکانس های 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 هارمونیک ها و فرکانس های مرتبط با آنها در مدارهای ارتباطی مجاور   دو عامل استفاده می شود، عامل وزن،( weightage factor) W، و عامل تداخل تلفنی(telephone interface factorTIF .

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 می شود:

 شکل 4 – ضریب تداخل تلفنی (TIF) مقادیر وزن

شکل 4 – ضریب تداخل تلفنی (TIF) مقادیر وزن
شکل 4 – ضریب تداخل تلفنی (TIF) مقادیر وزن
ضریب تداخل تلفنی
ضریب تداخل تلفنی

که:

Wf = 5 × Pf × f

که:

  • Vf ولتاژRMS 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)
  • 5 ثابت است برای شبیه سازی کوپلینگ اسارت است (constant to simulate captive coupling)
  • f فرکانس است

8-تاثیر بارهای غیرخطی

هارمونیک ها یک روش مناسب برای بیان   اعوجاج شکل موج ناشی از بارهای غیر خطی   در سیستم های قدرت الکتریکی است. قبل از معرفی الکترونیک قدرت، اغلب بارهای غیر خطی به علت سیستم های یکسوساز استاتیک یا عملکرد ترانسفورماتورهای راکتورهای شانت در ولتاژهای بالاتر از نقطه ی زانوی مغناطیسی آنها بود، یعنی فراتر از منطقه ی خطی آنها.

از زمان معرفی الکترونیک قدرت در سیستم های صنعتی، اعوجاج شکل موج شایع تر شده است و نیاز به تجزیه و تحلیل هارمونیک ها افزایش یافته است.

سایر اعوجاجات شکل موج زمانی رخ می دهد که ترانسفورماتورها انرژی دار می شوند یا وصل می شوند ، اما این هارمونیک ها گذرا هستند . هارمونیک ها همچنین می توانند باعث ایجاد تشدید و بارگذاری دستگاه هایی شوند که برای کار در فرکانس های اصلی طراحی شده اند.

برای کنترل سطح هارمونیک ها در هر سیستم، مهم است هم منبع هارمونیک و دستگاه هایی که حساس به چنین هارمونیک های هستند را شناسایی کنید تا آنها را در شبکه محدود کنید.

جدول 1 – جریان هارمونیکی تولید شده توسط بارهای غیر خطی (٪ از فرکانس اصلی)

مرتبه

هارمونیک

یکسو کننده
6/12-پالس
VFD
PWM6-Pulse
SMPS کامپیوتر لامپ

فلورسنت

3 81 57 28.7
5 20 / … 25-47 60.6 38 2.6
7 14.3 / … 16 37.5 23 2.2
9 15.7 13
11 9.1 / 9.1 8.7 2.4 23
13 7.7 / 7.7 4.5 6.3 5
15 7.9 3
17 5.9 / … 3.7
19 5.3 / … 1.9
THD 28 / 14.3 51 116 75 29

محسن ترابی

مهندس برق قدرت، فوق لیسانس برق قدرت از دانشگاه سراسری یزد، موسس ماه صنعت، متخصص در ژنراتور، دیزل، طراحی و ساخت موتورهای الکتریکی، سنکرون و سیستم های حفاظت الکتریکی به خصوص حفاظت ژنراتور. دارای گواهی ثبت اختراع ساخت موتور PMSM‌ معکوس گرد. هدف از ایجاد این وبسایت و مقالات آن آموزش در راستای توسعه ی صنعت برق کشور عزیزمان ایران می باشد و سعی می کنم مقالات کاربردی در راستای این هدف در وبسایت انتشار بدهم

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن
بستن