تاثیر هارمونیک ها

در این مقاله قصد داریم در مورد تاثیر هارمونیک ها صحبت کنیم.

فهرست مطالب

• 1- مقدمه
• 2- تاثیر هارمونیک ها
• 2-1- موتورها و ژنراتورها
• 2-2- ترانسفورماتور
• 2-3- خازن ها
• 2-4- کابل های قدرت
• 2-5- تجهیزات الکترونیکی
• 2-6- تابلو برق و رله‌ها
• 2-7- فیوزها
• 2-8- تداخل در سیستم های ارتباطی
• 3- تاثیر بارهای غیرخطی

————————————————–

1- مقدمه

اعوجاج در شکل موج جریان بار هر دستگاه غیرخطی باعث تغییرات مشابه در شکل موج ولتاژ نسبت به امپدانس هارمونیک شبکه منبع می‌شود.این اعوجاج ولتاژ هم بر روی جریان و هم بر روی ولتاژ تمام بارهای دیگر متصل به سیستم تأثیر می‌گذارد.هارمونیک‌های بد با تاثیر بر موتورها و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خازن‌ها و تجهیزات دیگر باعث ایجاد اختلال در عملکرد می‌شوند که در ادامه به بررسی هریک پرداخته‌ایم.

مطالب مرتبط :

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

تاثیر ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور دیتاسنترها

————————————————–

2- تاثیر هارمونیک‌ها

اثرات رایج چنین اعوجاج‌های هارمونیکی به شرح زیر است:

• موتورها و ژنراتورها
• ترانسفورماتور
• خازن‌ها
• کابل‌های قدرت
• تجهیزات الکترونیکی
• تابلو برق و رله‌ها
• فیوزها
• تداخل در سیستم‌های ارتباطی

2-1- موتورها و ژنراتورها

ژنراتورها و موتورها از طریق وجود هارمونیک‌ ها در شبکه‌هایی که به آنها متصل هستند، به شدت تحت تاثیر مخرب قرار‌می‌گیرند. اثرات معمول عبارتند از:

• افزایش حرارت به دلیل تلفات آهن و مس در‌ فرکانس‌های هارمونیکی
• ایجاد صدای بیشتر به خاطر وجود‌هارمونیک در مقایسه با تحریک کاملا سینوسی
• ایجاد جریان‌های هارمونیکی در روتور

جریان‌های هارمونیک ذکر‌شده در بالا به علت وجود هارمونیک در سیم پیچ استاتور ایجاد می‌شوند، که جریان‌های هارمونیکی در روترو تولید می‌کنند .

به عنوان مثال، هارمونیک های مرتبه 5 و 7 استاتور، هارمونیک های مرتبه ۶ را در روتور تولید می‌کنند، در حالی که هارمونیک‌های مرتبه هفتم و هشتم استاتور ، هارمونیک‌های مرتبه ۱۲ را در  روتور تولید خواهند‌کرد.

این جریان‌های هارمونیکی روتور باعث افزایش گرما و گشتاورهای ضربه‌ای و کاهش گشتاور می‌شوند.

لازم به ذکر‌است که عدم تعادل سیستم (نا متعادلی‌های پایدار یا خطاهای زمین)، به عنوان جریان های توالی منفی شناخته‌شده‌اند.

همچنین می‌تواند در روتور به عنوان جریان هارمونیک تاثیر بگذارند، که به موارد ذکر شده در بالا اضافه می‌شوند.

ژنراتورها همچنین می‌توانند هارمونیک تولید‌کنند و به ویژه هارمونیک‌های ضریب سه که می‌تواند از طریق ترانسفورماتور مجاور Wye زمین‌شده هنگامی که ژنراتور‌ها به طور مستقیم به یک باس بار متصل‌می‌شود جریان پیدا کنند. استفاده از ترانسفورماتور ژنراتور با اتصال مثلث می‌تواند این جریان‌های هارمونیک را کنترل‌کند.

2-2- ترانسفورماتور

ضریب تلفات سرگردان(stray-loss factor) برای هادی‌های مس  با توان ۲ جریان بار و فرکانس متناسب‌است و بنابراین با وجود هارمونیک در منبع ولتاژ افزایش پیدا‌می‌کند.

اگرچه درصد سهم اعوجاج‌های هارمونیک‌های بالاتر با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد ، اثر گرمایش آن‌ها، حتی اگر درصد هارمونیک پایین باشد، می‌تواند به طور قابل توجهی افزایش پیدا کند.

هارمونیک‌های تولید‌شده توسط بارهای غیرخطی مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD) جریان‌های غیر سینوسی را بر روی ترانسفورماتورهای قدرت که چنین بارهایی را تامین می‌کند، ایجاد می‌کنند.

در نتیجه افزایش قابل توجهی در تلفات و افزایش دما را خواهیم‌دید.

با اضافه شدن جریان‌های 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 می‌یابد) یا ترانسفورماتور باید یک ترانسفورماتور ویژه با توان نامی “K“ تعویض‌شود.

 

فاکتور “K” توسط (Laboratories Underwriter (UL برای تعریف توانایی ترانسفورماتور برای تامین جریان‌های بارهای غیر خطی متغیر بدون  افزایش از درجه حرارت نامی‌ایجاد شده‌است.

 

 

 

فاکتور “K” براساس تخمین تلفات‌های پیش بینی‌شده در استاندارد ANSI / IEEE C57.110 [S14] مشخص‌شده‌است.

2-3- خازن‌ها

هر خازنی در یک شبکه AC می‌تواند باعث ایجاد خطر تشدید با قطعات القایی شبکه‌شود. اگر چه شبکه‌های الکتریکی طوری طراحی می‌شوند که هیچ گونه رزونانسی در فرکانس‌های اصلی وجود نداشته باشد،

اما هنگامی که اثرات فرکانس‌های چندگانه  اعوجاج‌های هارمونیک در نظر گرفته‌می‌شود، همیشه خطر احتمال تشدید سیستم وجود دارد.

این‌ها و دیگر اثرات هارمونیک در خازن‌ها به شرح زیر است:

• رزونانس ولتاژ جریان‌های قابل ملاحظه‌ای را در خازن‌ها ایجاد می‌کند.
• بانک خازنی به عنوان یک دریافت‌کننده جریان‌های هارمونیک بالاتر عمل می‌کند که باعث افزایش گرما و تنش دی الکتریک آنها‌ می‌شود.
• تلفات در یک خازن متناسب با خروجی توان راکتیو ( kVAR )‌است که به نوبه خود متناسب با فرکانس‌است. این تلفات افزایش می‌یابد و عمر خازن‌ها با افزایش هارمونیک ها‌کوتاه‌می‌شود.

برای جلوگیری یا به حداقل رساندن چنین مشکلی، بانک‌های خازنی می‌توانند با استفاده از راکتورها هارمونیک‌های خاصی را حذف کنند.

در اکثر سیستم‌های هارمونیک صنعتی، هدف اصلی برای نصب خازن‌ها، رعایت الزامات ضریب توان مصرفی‌است که در نرخ‌های تعرفه شرکت برق تعریف شده‌است می‌باشد.

مزایای دیگر آنها تنظیم ولتاژ بهتر و کاهش تلفات‌است.

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

اجتناب از مشکلات رزونانس

بهترین روش برای جلوگیری از مشکلات رزونانس، نصب بانک‌های خازنی بزرگ در باس اصلی‌است . این راه حل مزایای زیر را ارائه‌می‌دهد:

• به طور کلی توان راکتیو بیشتری برای سیستم در دسترس‌است.
• کنترل راحت تر ولتاژ و جریان‌های هارمونیکی.
• کاهش هزینه‌ها، زیرا بانک‌های بزرگ از لحاظ هزینه خرید ارزان ترهستند.
• راکتورها را می‌توان به گونه ای اضافه‌کرد تا سیستم را از فرکانس‌های رزونانس دور نگه‌داشت.

خازن‌ها همچنین می‌توانند با راکتورها ترکیب‌شوند تا فیلتر‌های هارمونیک را در فرکانس‌های هارمونیکی رزونانسی مشکل زا ایجاد کنند. فرکانس رزونانس در باس خازنی را می‌توان با استفاده ازفرمول زیر محاسبه‌کرد:

که:

• f_r فرکانس رزونانس‌است.
• f_s فرکانس سیستم 60 یا ۵۰ هرتز است.
• kVA_sc سطح خطای سه فاز سیستم بر حسب kVA است.
• kVA_c توان نامی خازن سه فاز بر حسب kVA است.

2-4- کابل‌های برق قدرت

کابل‌های قدرت به طور ذاتی خازنی‌هستند وهمانطور که در بالا برای بانک‌های خازنی اشاره شد، ظرفیت آنها می‌تواند منجر به تشدید با بخش های القایی شبکه شود.

این خطرات رزونانس و خود هارمونیک می‌تواند مشکلات زیر را برای سیستم‌های کابل تولید کند:

• کابل‌هایی که در معرض رزونانس قرار می‌گیرند، ممکن‌است تحت فشار اضافه ولتاژ و یا کرونا قراربگیرند.
• افزایش گرما به علت افزایش جریان موثر rms ، اثر پوستی، و اثر مجاورتی اثر پوستی با اندازه فرکانس و اندازه‌هادی تفاوت خواهد‌داشت.

هادی‌های‌کابل برق معمولا نزدیک به یکدیگر نصب و خوابانده‌می‌شوند و بنابراین جریان‌های فرکانس بالا در پوست بیرونی یک هادی، توزیع و رفتار جریان های فرکانس بالا در پوست هادی‌های مجاور را تحت تأثیر قرار می‌هند.

و موجب ایجاد  “اثر مجاورتی” می‌شوند.

اثر پوستی و اثر مجاویت با توان ۲ فرکانس متناسب‌است.  

بنابراین اگر در کابل‌های هارمونیک قابل ملاحظه‌ای وجود داشته‌باشد، به خصوص اگر I_THD  بیشتر از ۱0 درصد‌باشد، جریان نامی کابل‌ها باید با ضریب کاهشی یا دیرتینگ محاسبه و سایزشوند.

کابل فیدر درایو

فیدر کابل برق به هر درایو متغیر فرکانس (VFD) جریان 50 هرتز اصلی یا سینوسی به همراه جریان هارمونیک تولید‌شده توسط درایو را حمل‌می‌کند.

اندازه فیدر انتخاب شده‌می‌بایست بر اساس حرارت تولید‌شده از  مجموع جریان rms (هارمونیک اصلی) و اثر پوستی هارمونیک مرتبه بالاتر سایز‌شود.

کابل باید دی‌ریت شوند تا حرارت اضافی ایجاد‌شده توسط جریان هارمونیک و اثر پوستی جبران‌شود.

اثر پوستی نیز به اندازه هادی بستگی‌دارد و از این رو باید از اندازه هادی بزرگ اجتناب شود.

شکل زیر دیریتینگ كابل در مقابل هارمونيك هابا توزيع جريان هارمونيك شش پالسی‌است، ضرایب دیریتینگ کابل را در برابر درصد جریان هارمونیک مرتبط با یک VFD معمولی 6 پالس‌را نشان‌می‌دهد.

باتوجه به‌اثر پوستی، دیریتینگ بیشتری برای‌هادی های بزرگتر مورد نیاز‌است.

یک مقاله نوشته‌شده توسط Hiranandani  روش اجرای محاسبات ظرفیت کابل شامل اثرات هارمونیک هارابیان کرده‌است.

برخی از تولیدکنندگان‌کابل نرم افزار کامپیوتر خود رادارند و می‌توانند درسایز کابل‌ها برای درایو‌ها به‌آنها کمک‌کنند.

از نظر استفاده از کابل برای درایوهای سرعت متغیر، و یا دیگر منابع قابل توجه هارمونیک، توصیه‌های زیر رامی‌توان ارائه‌کرد:

• از کابل‌های سه هادی استفاده‌کنید و‌از استفاده ‌از کابل‌های تک هادی جلوگیری‌کنید.
• با استفاده از کابل‌های بزرگ برای به حداقل رساندن تلفات ناشی از اثر پوستی جلوگیری‌کنید. اندازه‌هادی نباید بیش از 150 میلیمتر مربع باشد.
• برای تجهیزات بالاتر از 600 ولت از کابل‌های شیلد‌دار استفاده‌کنید.

2-5- تجهیزات الکترونیکی

در تجهیزات الکترونیک قدرت، اگر سطح قابل توجهی از اعوجاج هارمونیک وجود داشته باشد  حساس به عملکرد ناصحیح هستند و ممکن‌است دچار مشکل‌شوند.

برخی ازسیستم‌های کنترل برای دستگاه‌های الکترونیک قدرت از تشخیص عبور از صفربرای کنترل سوئیچینگ استفاده‌می‌کنند.

اعوجاج هارمونیک می‌تواند منجر به جابه جایی ولتاژ عبور نقطه صفرشوند و این‌تغییرات می‌تواند برای بسیاری از انواع مدار کنترل الکترونیکی مشکل زا‌باشد.

همچنین، اگر سوئیچ نادرست رخ‌می‌دهد، هارمونیک‌های بیشتری‌تولید می‌شوند، و باعث افزایش مشکل‌می‌شود.

2-6- تابلو های برق و رله‌ها

جریان‌های هارمونیکی در تابلو‌ها گرما و تلفات را در تابلوهای برق افزایش‌می‌دهند همانطور که برای کابل‌های برق مورد بحث قرار گرفت.

به‌همین‌ترتیب، اعوجاج ولتاژ میتواند مشکلاتی برای ترانسفورماتورهای ولتاژ و رله‌های متصل‌شده به آنها ایجادکند، در حالی که اعوجاج جریان می‌تواند همین مشکل را در ترانسفورماتورهای جریان ایجاد کنند.

به طور خاص، رله اضافه جریان الکترومکانیکی تمایل عملکرد آهسته‌تری در زمان وجود هارمونیک دارند،

در حالی که رله‌های تحت فرکانس استاتیک که از عبور صفر برای اندازه گیری فرکانس استفاده‌می‌کنند ، به ایجاد هارمونیک حساس هستند و هارمونیک باعث اختلال عملکرد آن‌ها می‌شود

هارمونیک همچنین می‌تواند سرعت عملکرد رله‌های دیفرانسیلی الکترومغناطیسی را مختل کند.

رله‌های دیجیتال مدرن از تکنیک های فیلتر کردن برای تولید فرکانس اصلی استفاده‌می‌کنند به طوری که مدار‌های جریان خطا و ولتاژ اندازه‌گیری به طور قابل توجهی توسط هارمونیک تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند.

برای فیلتر کردن صحیح ،الگوریتم رله نیاز  دارد تا فرکانس سیستم راردیابی‌کند و اکثر رله‌ها یک دامنه فرکانس محدود دارند که برای عملکرد در آن دامنه طراحی شده‌اند.

اگر چه قابلیت اندازه گیری خطا ممکن‌است در معرض خطر قرارنگیرد، توانایی آن برای اندازه گیری و شناسایی شرایط صحیح اضافه بار به توانایی آن برای اندازه‌گیری دقیق اثر حرارتی ، به عنوان مثال، مقادیر rms بستگی دارد.

اگر چه در صورت وجود هارمونیک می‌توان در تنظیمات رله تصحیح قائل شد مهم ‌است فرکانس کات آف رله cut-off frequency را‌بدانیم تا به طور دقیق اثر هارمونیک را جبران کنیم مانند فیلتر‌های فرکانس بالا.

2-7- فیوزها

فیوزها به علت وجود گرما تولید‌شده توسط هارمونیک باید دیریت بشوند . بنابراین، فیوزها میتوانند تحت تاثیر هارمونیکها به درستی عمل نکنند. این اثرات باید در نظر گرفته‌شود تا فیوزها بتوانند به طور صحیح دیریت شوند.

همچنین  سوختن بی دلیل و مداوم فیوز  نشانه ای از وجود هارمونیک‌های غیر منتظره یا تغییرات در ترکیب هارمونیک‌ها در آن سیستم‌است.

2-8- تداخل سیستم‌های‌ارتباطی

سیستم‌های‌ارتباطی حساس به تداخل ناشی از هارمونیک‌ها هستند، به ویژه آنهایی که در محدوده فرکانس های‌قابل شنیداری قرار‌دارند.

هرگونه افزایش تداخل قابل شنیدار تلفنی (audible telephone interference) باید مورد بررسی قرارگیرد، زیرا این اغلب اولین هشداری‌است که هارمونیکها در حال حاضر در سیستم وجود دارند یا در حال افزایش‌هستند.

هنگام محاسبه تأثیر هارمونیک‌ها و فرکانس‌های مرتبط با آن‌ها در مدارهای ارتباطی مجاور دو عامل استفاده می‌شود، عامل وزن،( weightage factor) W، و عامل تداخل تلفنی(telephone interface factor)، TIF .

 شکل زیر ضریب تداخل تلفنی (TIF) مقادیر وزن را نشان‌می‌دهد.

 

که:

W_f = 5 × P_f × f

که:

• V_f ولتاژRMS در فرکانس f‌است
• W_f  ضریب وزن  TIF در فرکانس f‌است(TIF weightage factor at frequency f)
• V_t مقدار مؤثر (rms) هارمونیک اصلی‌است
• P_f وزن پیام C است(message weighting)
• 5 ثابت‌است برای شبیه سازی کوپلینگ اسارت‌است (constant to simulate captive coupling)
• f فرکانس‌است

————————————————

3-تاثیر بارهای غیرخطی

هارمونیک ها‌یک‌روش مناسب برای‌بیان اعوجاج شکل موج ناشی از بارهای غیر خطی در سیستم‌های قدرت الکتریکی‌است.

قبل از معرفی الکترونیک قدرت، اغلب بارهای غیرخطی به علت سیستم‌های یکسوساز استاتیک یا عملکرد ترانسفورماتورهای راکتورهای شانت در ولتاژهای بالاتر از نقطه‌ی زانوی مغناطیسی آنهابود، یعنی فراتر از منطقه ی خطی آنها.

از زمان معرفی الکترونیک قدرت در سیستم‌های‌صنعتی، اعوجاج شکل موج شایع‌تر شده‌است و نیاز به تجزیه و تحلیل هارمونیک ها افزایش یافته‌است.

سایر اعوجاجات شکل موج زمانی رخ می‌دهد که ترانسفورماتورها انرژی‌دار می‌شوند یا وصل می‌شوند، اما این هارمونیک ها گذراهستند .

برای کنترل سطح هارمونیک‌هادر هر سیستم، مهم‌است هم منبع هارمونیک و دستگاه هایی که حساس به چنین هارمونیک های هستند را شناسایی‌کنید تا آنها را در شبکه محدود کنید.

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

تاثیر هارمونیک ها