تحلیل حذف تداخلات در سیستم تأمین برق یک کارخانه صنعتی

چکیده

کیفیت پایین برق یک مشکل مهم برای اکثر شرکت‌ها و کارخانه‌های تولیدی است که در تلاش برای افزایش بهره‌وری انرژی هستند. بسیاری از آنها به روش‌های ابتدایی و ساده متوسل شده‌اند که کیفیت مناسب برق را تضمین می‌کنند و نیاز به سرمایه‌گذاری‌های سنگین ندارند. تداخلات ناشی از پارامترهای کیفی برق به طور فزاینده‌ای در حال افزایش است؛ این پدیده به دلیل فرسودگی زیرساخت‌ها و ورود دستگاه‌های الکترونیکی و تجهیزات کارآمد انرژی است که از فرآیندهای تولیدی حمایت می‌کنند. راه‌حل‌های نوین صنعتی، مانند درایوهای با سرعت متغیر و سیستم‌های LED، هارمونیک‌هایی را ایجاد می‌کنند که منجر به تولید حرارت اضافی، کاهش راکتانس خازنی در سیستم تأمین و هزینه‌های جانبی می‌شود. هدف اصلی این مقاله، بررسی مشکل تداخلات ناشی از کیفیت پایین برق در سیستم‌های تأمین انرژی یک کارخانه صنعتی است. اندازه‌گیری‌های انجام شده با آنالیزور نصب شده در کارخانه‌های تولیدی منتخب، علل پدیده‌های غیرعادی موجود در شبکه تأمین برق را آشکار کرد. همچنین راه‌حلی برای این مشکل پیشنهاد شده و اثرات مورد انتظار ناشی از استفاده از دستگاه‌های جبران‌کننده اختلالات تولیدشده بیان گردید.

مقدمه

انرژی الکتریکی تولید شده در حال حاضر به محصولی تبدیل شده است که دارای پارامترهای فنی متعددی است؛ این پارامترها بر جنبه‌های مرتبط با قابلیت اطمینان تأمین برق برای اجزای خاص سیستم تأمین تأثیر می‌گذارند. تأمین برق با مشخصات فنی مناسب، اکنون از طریق قوانین اعمال می‌شود و تأثیر قابل توجهی بر پایداری، ایمنی و تداوم کار هر کارخانه صنعتی می‌گذارد. به همین دلیل، علاقه به مسائل مرتبط با کیفیت برق، روش‌های اندازه‌گیری آن و بهبود پارامترهای آن در طول دهه‌های اخیر به طور فزاینده‌ای افزایش یافته است.

مانیتورینگ مقادیر پارامترهای کلیدی کیفیت برق به موضوعی مورد علاقه تولیدکنندگان، توزیع‌کنندگان و مصرف‌کنندگان تبدیل شده است. شرکت‌های توزیع موظف به تأمین برق با پارامترهای کیفی خاص هستند، در حالی که مصرف‌کنندگان با پرداخت هزینه برای برق تأمین شده، مسئولیت تأیید کیفیت آن را بر عهده می‌گیرند. این امر به این دلیل است که نظارت بر کیفیت برق نه تنها از نظر جنبه‌های فنی و ایمنی، بلکه از نظر تجاری نیز حائز اهمیت است.

مسئله کیفیت برق به طور فزاینده‌ای اهمیت پیدا می‌کند و به توسعه راهکارهای تکنولوژیک هم برای ثبت پارامترهای کیفی و هم برای حذف تداخلات واردشده به شبکه کمک می‌کند. عملکرد صحیح دستگاه‌ها مستلزم آن است که مقادیر مشخص شده از ویژگی‌های برق تأمین شده به یک گیرنده خاص، در محدوده‌های معین ارزشی باشند. در عین حال، شاهد افزایش تعداد دستگاه‌های دریافت کننده‌ای هستیم که به دلیل ماهیت غیرمعمول آنها، از جمله استفاده از مبدل‌های فرکانسی، به منبع تولید تداخل در شبکه برق تبدیل شده‌اند. امروزه، با افزایش آگاهی، کارخانه‌های صنعتی در حال سرمایه‌گذاری در راهکارهایی هستند که اختلالات تولیدشده را جبران می‌کنند. این پدیده همچنین ناشی از علاقه روزافزون شرکت‌های توزیع به کیفیت برق تأمین شده در شبکه است، زیرا کارخانه‌های صنعتی به دلیل دستگاه‌های دریافت کننده به کار رفته، به منبع تولید تداخل در شبکه تبدیل شده‌اند.

تحلیل حذف تداخلات در سیستم تأمین برق یک کارخانه صنعتی

این مقاله به نوع پژوهشی می‌پردازد که هدف آن معرفی مشکلات کیفیت انرژی الکتریکی در یک کارخانه صنعتی، روش‌های نظارت و گام‌های بهبود مرتبط است. با بهره‌گیری از داده‌های جمع‌آوری‌شده از یک آنالایزر در یک صنعتی منتخب، یک راه‌حل مهندس‌ای برای کاهش تداخلات تولیدی ارائه شده است. این راه‌حل شامل تنظیمات جریان و ولتاژ است که نه تنها اثرات ناشی از دستگاه‌های جبران‌دهنده را کاهش می‌دهد، بلکه هزینهٔ مالی قابل‌توجهی به_savecomfort ارائه می‌کند. با تحلیل دقیق و دقی، نویسندگان پیشنهاد می‌دارند تا به‌صورت سیستماتیک، معیارهای تأمین برق را به‌گină حل کنند.

اقدامات انجام‌شده به‌منظور بهبود کیفیت انرژی الکتریکی در شرکت‌های توزیع انرژی

از دیدگاه اپراتورهای سیستم توزیع (DSO)، تأمین اطمینان‌دار انرژی یکOperand کلیدی برای ساکنان، شرکت‌ها و تولیدکنندگان محسوب می‌شود و رشد اقتصادی کلی کشور را تحت تأثیر قرار می‌دهد. سرمایه‌گذاری‌های انجام‌شده توسط شرکت‌ها، به‌همراهی دولت‌های محلی، می‌تواند به ارتقای امنیت انرژی در شهرهای و شهرستان‌ها کمک کند. همکاری مؤثر بین دولت‌ها و بخش انرژی منجر به افزایش مستمر menunjukkan‌های اطمینان‌پذیری تأمین انرژی و کاهش مقاطعی از قطع برق می‌شود. سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های توزیع، توسعهٔ برنامه‌ریزی جامع و بهبود پایداری condado‌های برق، مزایای قابل‌توجهی برای سرمایه‌گذاران، مقامات محلی و ساکنان apresentou.

قابلیت اطمینان تأمین انرژی هدف اساسی مدل جدیدی است که برای اجرای کیفی توسط DSO به‌کار می‌رود. این مدل نه تنها به افزایش قابل‌اعتمادیت سرویس به مصرف‌کنندگان، بهبود امنیت، افزایش رسانایی فنی، اتوماسیون شبکه و بهبود وضعیت فنی تمرکز دارد، بلکه به‌صورت موثر به جنبه‌های پارامترهای کیفیت انرژی تأمین‌شده نیز می‌نگرد.

نظارت و کنترل کیفیت انرژی الکتریکی

فعالități و اقداماتی که DSO برای نظارت و کنترل شاخص‌های کیفیت انرژی الکتریکی انجام می‌دهد، به‌گونه‌ای تبدیل شده است که می‌تواند به‌صورت روزانه و با ثبت‌های طولانی‌مدت اجرا شود. این اقدامات عمدتاً به‌دلیل شکایات مداوم مصرفندگان درباره سطح کیفیت انرژی بروز می‌شوند. داده‌های اندازه‌گیری‌شده برای انجام عملیات نظیر تعمیر، نوسازی و سرمایه‌گذاری‌های ضروری به‌کار می‌روند. برای جمع‌آوری موقت داده‌ها، اپراتورها از آنالایزرهای موقت استفاده می‌کنند. عملکرد شبکه‌ها به‌طور مستمر توسط سیستم‌های نظارتی که با ایستگاه‌های ثابت در نقاط کلیدی سیستم نصب شده‌اند، زیر نظارت قرار می‌گیرد.

وفیر داده‌های آینده و اطلاعات به‌صورت تدریجی با استفاده از کنتورهای نصب‌شده برای اندازه‌گیری از راه دور توانمندCornerها می‌شود. این کنتورها امکان خواندن بسیاری از پارامترهای کلیدی مانند ولتاژ، جریان مصرفی، قدرت، نوسانات هارمونیک و شاخص THD (تجمع نوسانات هارمونیک کل) را فراهم می‌سازند. زیرساخت‌های پیشرفته برای اندازه‌گیری ( AMI – Advanced Metering Infrastructure ) به‌صورت کامل می‌تواند پارامترهای کیفیت انرژی را ثبت و_theme کند. در عمل، این اقدامات به تحلیل سریع‌ erfolgen و به بهتر کردن کنترل بر گیرندگان فعال شبکه کمک می‌کند.

فعالorderungen دیگر DSO برای ارتقای کیفیت انرژی تأمین‌شده شامل توسعهٔ پلتفرم‌های مدیریت داده‌ها بر پایهٔ برنامه‌های عملیاتی اتحادیه اروپا است. این پلتفرم‌ها با بهره‌گیری از زیرساخت‌های پیشرفته اندازه‌گیری، ارزیابی انتشار و بهبود پارامترهای کیفیت انرژی در شبکه‌های توزیع را امکان‌پذیر می‌سازند. این فرآیند امکان شناسایی نقاط بهینه و حیاتی برای نظارت و اندازه‌گیری، تخمین شاخص‌های کیفیت منتخب و جمع‌آوری دستگاه‌های جدید نظارتی را می‌دهد.

تحقیقاتی در حال انجام است که به‌کارگیری روش‌های پیشرفته برای مکان‌یابی گیرندهٔ‌های مزاحم و ابزارهای ارزیابی انتشار آن‌ها می‌پردازد؛ شامل تحلیل منابع هارمونیک و نوسانات ولتاژ. دستگاه‌ها و راهکارهایی برای کاهش تأثیر مزاحم‌ها بر کیفیت شبکه به‌کار می‌روند. پیاده‌سازی سیستم‌های جدیدی برای مدیریت انرژی الکتریکی با نظارت بهتری بر جریان انرژی، ارتقای قابل‌اعتمادیت تأمین و کاهش تهدیدات ناشی از تغییرات لحظه‌ای، پیش‌بینی می‌شود. دستگاهی چنین량 بایسته برای شرکت‌هایی که به‌عنوان مصرف‌کننده انرژی بزرگ عمل می‌کنند، مورد علاقه خواهد بود؛ این سیستم‌ها تصمیمات سرمایه‌گذاری برای بهبود کیفیت و قابل‌اعتمادیت انرژی را به‌صورت موثر پشتیبانی می‌کند.

سازمان تأمین برق کارخانه صنعتی

کارخانه‌ای که در آن تحلیل‌های شبکه برق انجام شده، یک واحد تولیدی است که مواد اولیه را به محصولات نهایی تبدیل می‌کند. بخش‌های اصلی این کارخانه شامل:

• بخش ذخیره‌سازی و آماده‌سازی تولید،
• منطقه دستگاه‌ها و تجهیزات تولید،
• بخش تولید،

– بخش سورتینگ،
– بخش بسته‌بندی و حمل و نقل.

این مجموعه مرغداری از طریق یک خط هوایی ۱۵ کیلوولت تغذیه می‌شود که شامل یک سازه تیر با کلید RUN است. از این کلید تا پست ترانسفورماتور داخلی، یک خط کابلی ۱۵ کیلوولت SN وجود دارد که به عنوان تأمین‌کننده داخلی کارخانه عمل می‌کند. پست ترانسفورماتور داخلی به دو ترانسفورماتور ۶۳۰ کیلووات آمپر با نسبت تبدیل ولتاژ ۱۵/۰.۴ کیلوولت تجهیز شده است. این پست همچنین شامل تابلو فشار متوسط ۴ قطبی Rotoblok و تابلو اصلی فشار ضعیف دو بخشی می‌باشد.

به منظور افزایش قابلیت اطمینان تأمین برق، در کارخانه دو مولد ۵۵۰ کیلووات نصب شده‌اند که هر یک دارای سیستم انتقال خودکار (ATS) هستند. توان اتصال کارخانه به شبکه ۱.۱ مگاوات و توان نصب شده آن ۱.۵۶ مگاوات است. یکی از عناصر کلیدی در فرآیند تولید، حفظ دمای ثابت در جریان تولید و تداوم این فرآیند است. به همین دلیل، باید اطمینان حاصل شود که تأمین انرژی الکتریکی کارخانه دارای قابلیت اطمینان بالایی باشد. قطعی برق، حتی برای چند دقیقه، ممکن است خسارات قابل توجهی در فرآیند فناوری ایجاد کرده و در تولید انبوه زیان‌های سنگینی به وجود آورد.

تداخلات در سیستم تأمین

در سال ۲۰۱۸، دستگاه‌های تولیدی جدیدی مجهز به چند مبدل فرکانس تک‌فاز برای کنترل فرآیند تولید به کارخانه اضافه شدند. پس از راه‌اندازی بخش توسعه‌یافته کارخانه، افزایش دمای سیم خنثی به وضوح محسوس بود و به همین خاطر، بازسازی و افزایش قطر سیم‌های خنثی در تابلوهای مختلف ضروری شد. با وجود این اقدامات، مشکل عدم تقارن (Unbalance) تنها به طور جزئی کاهش یافت و همچنان افزایش دمای سیم‌های خنثی ادامه داشت. به منظور گردآوری داده‌ها و اطلاعات بیشتر درباره علل تداخلات در سیستم تأمین، اندازه‌گیری‌های استاندارد پارامترهای شبکه تأمین‌کننده کارخانه انجام شد.

تشخیص تداخلات با دریافت اطلاعات از تحلیلگرهای نصب شده برای پارامترهای شبکه UMG ۵۰۹ در محل تغذیه تابلو اصلی کارخانه آغاز شد. در شکل ۱، سیستم تأمین کارخانه و محل انجام اندازه‌گیری‌ها نشان داده شده است.

تحلیلگرها به گونه‌ای برای شبکه با بار نامتقارن نصب شده بودند که جریان در سه فاز را اندازه‌گیری کنند. این تحلیلگرها بار برابر در فازهای خاص و جریان قابل توجهی در سیم خنثی را گزارش کردند. نتایج اندازه‌گیری‌ها نشان داد که شبکه تأمین، با وجود مقادیر بالای اعوجاج هارمونیک ولتاژ و جریان، مشخصات خاصی دارد. میزان جریان برای فازها به شرح زیر است: L1–۲۷٪، L2–۲۸.۵٪، L3–۲۸٪ و N–۲۲۳۱.۷٪ و برای ولتاژها: L1–۴.۸٪، L2–۴.۹٪، L3–۴.۸٪ و N–۱۸.۵٪. اندازه‌گیری میانگین توان در فازهای مشخص برای تابلوهای برق معین، ۱۰۸.۵ کیلووات به دست آمده است. نتایج کلی این اندازه‌گیری‌ها در جداول ۱ تا ۳ ارائه شده است.

جدول ۱. نتایج اندازه‌گیری جریان، توان، THDU و THDI در سیستم تأمین

.

جدول ۲. نتایج اندازه‌گیری هارمونیک‌های جریان در سیستم تأمین

.

جدول ۳. نتایج اندازه‌گیری هارمونیک‌های ولتاژ در سیستم تأمین

.

تجهیزات اندازه‌گیری، هارمونیک ولتاژ ۹ و هارمونیک‌های جریان ۱، ۲، ۳، ۵، ۷ و ۹ را ثبت کردند. بیشترین مقادیر هارمونیک‌های جریان برای فازها، به‌ویژه در مورد هارمونیک پایه و هارمونیک ۳ در سیم خنثی مشاهده شد. همچنین هارمونیک‌های ۳ برای فازهای خاص نیز مقادیر بالایی (به طور میانگین ۱۲۷ آمپر) داشتند.

اندازه‌گیری و تحلیل کیفیت انرژی با استفاده از تحلیلگر UMG ۵۰۹ در کلیه تابلوهای بخش‌های انتخاب شده کارخانه صورت گرفت. نتایج این تحلیل‌ها و ثبت اندازه‌گیری‌ها نشان داد که منشأ تداخلات، دستگاه‌های تولیدی هستند که از تابلوهای بخش‌های R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 تأمین شده و اکنون فعال‌اند. هر یک از این تابلوها دوازده دستگاه با مبدل فرکانس تک‌فاز ۲.۲ کیلووات را تغذیه می‌کند. تابلوها به صورت سیستم تغذیه چهارسیمی با سیم خنثی برای تأمین مدارهای نامتقارن طراحی شده‌اند. در این تابلوها، وقوع هارمونیک‌های سوم و مضارب آن‌ها برای مدارهای نامتقارن لحاظ شده است. مطابق با استاندارد PN-EN ۶۱۰۰۰۰-۳-۱۲، مقدار Rsce > ۳۵۰ و مجاز برای جریان هارمونیک سوم ۴۱٪ جریان نامی تعیین شده است.

بررسی‌ها نشان‌دهنده این است که در بار نامتقارن، جریان هارمونیک سوم ناشی از تجمع جریان‌های هارمونیک سوم از سه فاز به سیم خنثی می‌رسد. در شرایط خاص، جمع جبری این سه جریان فازی منجر به ایجاد جریانی به مقدار ۱۲۳٪ جریان نامی در سیم خنثی می‌شود که به مراتب بیشتر از ۴۱٪ مجاز تعیین شده در استاندارد PN-EN ۶۱۰۰۰۰-۳-۱۲ است. [۲۱]

اندازه‌گیری‌ها همچنین وجود هارمونیک‌های بالاتر را نمایان می‌کنند که عملکرد شبکه و تجهیزات الکتریکی را به طور قابل توجهی دچار پیچیدگی می‌کنند و به افزایش تلفات توان و مشکلات مرتبط با افت ولتاژ می‌انجامند. مقررات موجود تمام مدارهای الکتریکی، چه فشار ضعیف و چه فشار قوی، را ملزم به رعایت مقادیر مجاز برای هر دو جریان و ولتاژ هارمونیک‌های بالاتر می‌کند.

حذف تداخلات سیستم تأمین

تحلیل حذف تداخلات در سیستم تأمین برق

با توجه به ویژگی‌های شبکه برق کارخانه و ضرورت تضمین قابلیت اطمینان تأمین انرژی، نتیجه گرفته شد که بهینه‌ترین راه‌حل برای برطرف کردن تداخلات، نصب فیلترهای فعال است. این فیلترها در مجاورت منبع تولید تداخلات، در هر تابلو توزیع که دستگاه‌های تولید را تغذیه می‌کند، قرار می‌گیرند. برای مهار هارمونیک‌های مرتبه‌های بالاتر، از فیلترهای هارمونیک فعال مدل Sinexcel استفاده شده است. فیلترهای فعال هارمونیک، هارمونیک‌های ناشی از بارهای غیرخطی را در شبکه‌های برق کاهش می‌دهند [۱۰]. این دستگاه‌ها به‌صورت موازی با بارهای مولد تداخل نصب می‌گردند. نحوه عملکرد این‌گونه فیلترها بر پایه تجزیه و تحلیل جریان‌های هارمونیک مصرفی بارها و تولید جریان جبرانی با فاز معکوس است تا تداخلات خنثی شوند. طیف متنوع فیلترهای هارمونیک فعال Sinexcel، هم‌خوانی کامل با تمام انواع کاربردها را دارا بوده و با فیلتر کردن هارمونیک‌ها و جبران بی‌پله توان راکتیو برای بارهای پیش‌رو و تأخیری، تعادل بار را فراهم می‌آورد. شکل ۲، فیلتر بکاررفته برای حذف تداخلات در شبکه مورد بررسی را نمایش می‌دهد.

همان‌گونه که در شکل ۲ مشهود است، فیلتر AHF مدل Sinexcel به‌صورت بی‌درنگ جریان بار را از طریق ترانسفورماتور جریان خارجی پایش کرده و محتوای هارمونیک آن را استخراج می‌نماید. پس از پردازش داده‌ها، کنترلر AHF، سوئیچ‌های IGBT داخلی را با سیگنال‌های PWM راه‌اندازی می‌کند تا جریان معکوسی با велиویت هم‌ارز هارمونیک بار تولید و به شبکه تزریق گردد، بدین‌وسیله جریان هارمونیک جبران می‌شود [۱۱].

انواع تداخلات در شبکه تأمین برق

در کارخانه تولید، تداخلات شبکه تأمین به صورت‌های زیر خود را نشان می‌دهد:

• وجود هارمونیک‌های مرتبه ۱ تا ۹،
• سطح بالای اعوجاج کلی جریان هارمونیک (THDI)،
• سطح بالای اعوجاج کلی ولتاژ هارمونیک (THDU)،
• افزایش مصرف انرژی ناشی از هارمونیک‌ها و اعوجاج‌های ولتاژ و جریان،
• افزایش جریان ناشی از هارمونیک‌ها و اعوجاج جریان.

جهت برطرف کردن تداخلات شبکه، نصب فیلترهای فعال جبران‌کننده هارمونیک‌های جریان و ولتاژ توصیه گردید. در فاز اول اصلاحات شبکه، یک فیلتر مستقر شد؛ سپس با توجه به ضرورت کاهش هارمونیک‌های مرتبه بالاتر، تعداد فیلترهای نصب‌شده به ۸ واحد افزایش یافت. مکان‌های دقیق نصب فیلترهای AHF در شکل ۳ نشان داده شده است.

نتایج اندازه‌گیری‌ها

داده‌های اندازه‌گیری برای حالت تک‌фильتر در کنار تابلو توزیع بخش R1 در جداول ۴ تا ۶ ارائه شده است.

شکل ۱. الگوی تأمین انرژی کارخانه همراه با محل اندازه‌گیری‌ها به‌وسیله آنالیزور UMG ۵۰۹

شکل ۲. فیلترهای هارمونیک به‌کاررفته AHF [۱۱]

شکل ۳. الگوی تأمین انرژی کارخانه همراه با محل نصب فیلترهای AHF

همچنین، نتایج اندازه‌گیری‌ها برای حالت ۸ فیلتر نصب‌شده در تابلوهای R1 تا R8 در جداول ۷ تا ۹ درج گردیده است.

بر پایه نتایج به‌دست‌آمده از اندازه‌گیری‌ها، شکل ۴ مقایسه‌ای از داده‌های جریان را در سه حالت: پیش از نصب فیلتر، پس از نصب یک فیلتر، و پس از نصب ۸ فیلتر، ترسیم می‌کند.

در پی اقدامات انجام‌گرفته، مصرف انرژی در کلیه فازها به‌مرز قابل‌توجهی کاهش یافت. در فازهای L1 و L2، نصب ۷ فیلتر افزودنی منجر به کاهش ۴ درصدی جریان گردید، در حالی که در فاز L3 تغییری معنادار مشاهده نشد. پرتأثیرترین نتیجه نصب مجموعه ۸ فیلتری، کاهش شگفت‌انگیز جریان هادی خنثی بود — از ۳۵۶.۶ آمپر به ۱۲.۶ آمپر.

شکل ۴. اندازه‌گیری‌های جریان بدون نصب فیلتر و پس از نصب ۱ و ۸ فیلتر

شکل ۵. اندازه‌گیری‌های مصرف انرژی بدون نصب فیلتر و پس از نصب ۱ و ۸ فیلتر

شکل ۶. اندازه‌گیری‌های اعوجاج ولتاژ هارمونیک کل (THDU) بدون نصب فیلتر و پس از نصب ۱ و ۸ فیلتر

آمار مصرف انرژی حاکی از آن است که توان تولیدی برای تابلوهای الکتریکی کارخانه به میزان ۶.۶ کیلووات کاهش یافته است. این کاهش در مقیاس یک‌ساله، صرفه‌جویی مالی و سود خالص به مبلغ ۳۵۰۰۰ زلوتی (PLN) برای کارخانه به همراه آورده است. در همین راستا، شکل ۶ نتایج اندازه‌گیری‌های THDU را نمایش می‌دهد.

نصب تنها یک فیلتر، THDU فاز N را به میزان ۱.۵ درصد کاهش داد؛ اما در فازهای L1-L3 تغییری قابل‌اعتمادی ثبت نشد. در مقابل، استقرار مجموعه‌ای از فیلترها تقریباً به‌صورت کامل پارمترهای THDU را در کلیه فازها مهار کرد. ادامه تحلیل در شکل ۷ به بررسی THDI می‌پردازد.

شکل ۷. اندازه‌گیری‌های اعوجاج هارمونیک جریان کل (THDI) بدون نصب فیلتر و پس از نصب ۱ و ۸ فیلتر

به کارگیری یک فیلتر، THDI فازهای L1-L3 را حدود ۳ درصد کاهش داد و پس از تکمیل به ۸ فیلتر، این کاهش به‌میانگین ۴ درصد رسید. در فاز N، یک فیلتر منفرد THDI را ۲۰ درصد مهار کرد، در حالی که اضافه کردن ۷ فیلتر دیگر اعوجاج‌های جریان را به‌حد أدنى ممکن رساند.

شکل ۸. اندازه‌گیری هارمونیک‌های جریان بدون نصب فیلترها

شکل ۹. اندازه‌گیری هارمونیک‌های ولتاژ بدون نصب فیلترها

ارزیابی راهکار پیشنهادی و تأثیر فیلترهای AHF بر هارمونیک‌های بالاتر

در فرآیند ارزیابی راهکار پیشنهادی، لازم است تأثیرِ فیلترهای فعالِ هارمونیک (AHF) بر مهار هارمونیک‌های مراتب بالا نیز به‌دقت سنجیده شود. نتایج اندازه‌گیری‌های جریان و ولتاژِ پیش از نصب فیلترها در سامانه‌ی تغذیه تابلوهای برق، در شکل‌های ۸ و ۹ آمده است. آنچه فوری جلب توجه می‌کند، سطحِ بالا رفته‌ی هارمونیک‌های مرتبه ۳ و ۵ است — هر دو در موج‌های جریان و در موج‌های ولتاژ.

نصبِ نخستین فیلتر، هارمونیک‌های مرتبه ۳ را تنها به‌اندک کاهش داد — به‌ترتیب ۵ و ۱۱ آمپر. شکل ۱۰ طیف هارمونیک‌های جریان و شکل ۱۱ طیف هارمونیک‌های ولتاژ را پس از این نصب تنها‌فیلتره نشان می‌دهند. در هیچ‌کدام از نمودارها تغییریِ محسوس و چشمگیر دیده نشد؛ نشانه‌ای روشنی بر ضرورت به‌کارگیری چندین فیلتر دیگر در سیستم تغذیه.

شکل ۱۰. طیف هارمونیک‌های جریان پس از نصب نخستین فیلتر AHF

شکل ۱۱. طیف هارمونیک‌های ولتاژ پس از نصب نخستین فیلتر AHF

افزایش تعداد فیلترها برای دستیابی به هدف بهبود کیفیت انرژی الکتریکی

به‌منظور دستیابی به هدفِ کیفیِ مشخص‌شده برای شبکه‌ی تغذیه‌ی کارخانه، تعداد فیلترها به هشت عدد برسد. شکل ۱۲ نتایج اندازه‌گیری هارمونیک‌های جریان پس از فعال‌سازی این هشت فیلتر را بازتاب می‌دهد. در باره‌ی مولفه‌ی پایه، جریان فازهای L1 تا L3 به حدود ۶۲ آمپر کاهش یافت و فاز N به حاشیه رانده شد. هارمونیک‌های مرتبه ۳ بیش از ۹۰ درصد مهار شدند.

شکل ۱۲. طیف هارمونیک‌های جریان پس از نصب هشت فیلتر AHF

شکل ۱۳، نتایج اندازه‌گیری هارمونیک‌های ولتاژ پس از نصب هشت فیلتر را نشان می‌دهد. مقادیر مربوط به هارمونیک‌های مرتبه ۳ و ۵ به‌طور قابل‌توجهی اصلاح گردیده‌اند.

شکل ۱۳. طیف هارمونیک‌های ولتاژ پس از نصب هشت فیلتر AHF

نتیجه‌گیری نهایی بر پایه‌ی هشت فیلترِ مستقرشده — هر‌یک در کنار تابلویی که مستقیماً تجهیزات خط تولید را تغذیه می‌کند — حاکی از تأثیرِ ملموس در رندکردن هارمونیک‌های مراتب بالای ولتاژ و جریان است. این رندکردن، عاملیِ محوری در کاهش جریان هادی خنثی و پیشگیری از بیش‌بار و بیش‌گرماییِ آن گردید.

صرفه‌جویی مالی حاصل از نصب فیلترها

از جنبه‌هایِ پراهمیت این مدرنیزاسیون، صرفه‌جویی‌های مالیِ ناشی از کاهش توان مصرفیِ کارخانه در پی نصب فیلترها است. کاهشِ توان کل ثبت‌شده ۶.۶ کیلووات برآورد شده؛ با توجه به کارکرد مداوم کارخانه (ماهیتِ تولیدی)، معادل ۶.۶ × ۲۴ = ۱۵۸.۴ کیلووات‌ساعت در روز و در جمع ۵۷،۸۱۶ کیلووات‌ساعت در سال می‌شود. به تعرفه‌ی زمان اجرا (۰.۶ زلوتی بر کیلووات‌ساعت)، این رقم به ۳۴،۶۸۹.۶ زلوتی در سال می‌رسد. در شرایط فعلی که قیمت برق به ۱ تا ۱.۲ زلوتی بر کیلووات‌ساعت رسیده، سالانه تا ۷۰،۰۰۰ زلوتی صرفه‌جویی محقق می‌گردد. هزینه‌ی هر واحد AHF در لحظه اجرا ۲۳،۰۰۰ زلوتی بود، یعنی ۸ × ۲۳،۰۰۰ = ۱۹۵،۰۰۰ زلوتی سرمایه‌گذاری. بازدهیِ این پروژه بی‌گمان و قطعی است.

نتیجه‌گیری

در سال‌های اخیر، تحولاتِ عمیقی در تکنولوژی‌های به‌کاررفته در بنگاه‌های اقتصادی رخ داده است. تجهیزات کهنه جای خود را به نسل‌های نوین داده‌اند و نه‌تنها ذلک، خطوط فرآیندی کامل با الکترونیک قدرت و کنترل الکترونیکی مجهز شده‌اند. اگرچه این تجهیزات جدید کم‌انرژی‌ترند، اما به دلیل نوسانات شدید ولتاژ تغذیه (بسیار پایین یا بسیار بالا)، نیازمند تغذیه با پارامترهای کیفیِ دقیق‌اند. از همین رو، توزیع‌کنندگان انرژی موظف‌اند مصرف‌کنندگان را به‌صورت پیوسته و با کیفیتِ ولتاژِ مقرر قانونی تأمین کنند. تأکیدِ نوین نه‌تنها بر مدت قطعیت‌ها، که بر سطح ولتاژِ تحویلی نیز متمرکز شده است. امکان تحلیل ولتاژ و جریان در بستر شبکه — به‌منظور کاوش داده‌های بایگانی — ابزاری استراتژیک برای ارزیابی ظرفیت بارگذاری بالقوه شبکه موجود و تصمیم‌گیری در باب مدرنیزاسیون محسوب می‌شود. در سوی دیگر، مصرف‌کنندگان روزبه‌روز آگاه‌تر از حقوق قانونی خود در حوزهٔ کیفیت انرژی می‌شوند و به ابزارهای متنوع ثبت و تحلیل ولتاژ/جریان در سامانه‌های مصرفی دست‌یافته‌اند.

تحلیلِ مبتنی بر اندازه‌گیری‌های میدانی، حضورِ هارمونیک‌های مراتب بالا را آشکار کرد؛ پدیده‌ای که عملکرد شبکه و تجهیزات الکتریکی را به‌شدت پیچیده می‌سازد، اتلاف‌های توان را افزایش می‌دهد و محاسبه افت ولتاژ را به چالش می‌کشد.

به‌منظور ازبین‌بردن تداخلات در شبکه قدرت کارخانه، با توجه به ماهیت بارها و ضرورت اطمینان از تداوم تغذیه، استراتژیِ برنده این بود که فیلترهای فعال AHF دقیقاً در کنار هر تابلویِ تغذیه‌کننده تجهیزات تولید — یعنی در مبدأ تولید تداخل — مستقر شوند.

اساس مدرنیزاسیون شبکه صنعتیِ مورد بحث، نصب فیلترهای هارمونیک به‌منظور حذف تداخلات بود. نتایج به‌دست‌آمده در موارد زیر خلاصه می‌شوند:

• کاهشِ انتظارشده جریان هادی خنثی با هشت فیلتر AHF: از ۳۵۶.۶ آمپر به ۱۲.۶ آمپر (بر اساس اندازه‌گیری مستقیم روی هادی خنثی)،
• کاهشِ نرخ اعوجاج کلی جریان (THDI) حدود ۴ درصد پس از نصب فیلترها،
• کاهش ۶.۶ کیلوواتی از توان مصرفی کارخانه، معادل سود مالی حدود ۳۵،۰۰۰ زلوتی در سال،
• کاهش کلی نرخ اعوجاج هارمونیک ولتاژ (THDU) در همهٔ فازها،
• کاهش THDI فازهای L1-L3: حدود ۳ درصد با یک فیلتر و به‌میانگین ۴ درصد با هشت فیلتر،
• در هادی خنثی: یک فیلتر ۲۰ درصد کاهش THDI ایجاد کرد، در حالی که هشت فیلتر زمینه را برای به‌حداقلی‌رساندن اعوجاج‌های جریان در این هادی فراهم آوردند،
• کاهش ۹۰ درصدی جریان هارمونیک مرتبه ۳ و حاشیه‌راندن هارمونیک‌های مراتب بالاتر.

نتیجه‌گیری و آینده‌نگری

نوآوری مطرح‌شده در این پژوهش، رویکردی ساده و مقرون‌به‌صرفه برای رفع مشکل تغیر شکل (deformation) پارامترهای تأمین برق ارائه می‌دهد؛ رویکردی که با به‌کارگیری یک دستگاه، تغییرشکل‌های ایجادشده را جبران می‌کند. مسئله از نظر فنی به‌خوبی تبیین شده و با یک راهکار عملیاتی ساده حل گردیده که بازخورد مالی قابل‌اندازه‌گیری‌ای دارد.

نویسندگان بر این باورند که به‌روزرسانی و مدرن‌سازی پیوسته زیرساخت‌های صنعتی، اپراتورهای سیستم توزیع (Distribution System Operators) و ارائه‌دهندگان خدمات فنی را ناچار می‌کند پارامترهای کیفیت انرژی الکتریکی (Power Quality) را بی‌وقفه پایش کنند. گسترش شبکه‌های هوشمند (Smart Grids) و سامانه‌های تأمین حیاتی، ضرورتی اجتناب‌ناپذیر خواهد بود. چنین تحولی شمار نقاط نظارتی را افزایش داده و امکان رصد لحظه‌ای نوسان ولتاژ و جریان بار را فراهم می‌آورد. در کنار آن، داده‌های بایگانی‌شده نیز ارزشی دوچندان می‌یابند؛ زیرا تحلیل کیفیت انرژی در نقاط مختلف تأمین را ممکن می‌سازند و در تعیین محل اتصال منابع انرژی تکمیلی یا اتخاذ تصمیم‌های سرمایه‌گذاری برای توسعه شبکه، راهنمایی‌های مؤثری ارائه می‌دهند.

مراجع

1. Dugan R. C., McGranaghan M. F., Santoso S., Beaty H.W., Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill Education, Third Edition, 2012
2. Povh D., Pregizer K., Weinhold M., Zurowski R., Improvement of supply quality in distribution systems, 14th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution. Part 1. Contributions (IEE Conf. Publ. No. 438), 1997, 27/1-27/6, ISBN: 0-85296-674-1, doi: 10.1049/cp:19970494
3. Mangold M., Weinhold R., Zurowski T., Voss L., Power Conditioning Equipment for Improvement of Power Quality in Distribution Systems, cgti.org.br
4. Lei X., Retzmann D., Weinhold M., Improvement of power quality with advanced power electronic equip…

پرسش‌های متداول

کیفیت انرژی الکتریکی چیست؟

کیفیت انرژی الکتریکی به ویژگی‌های فنی توضیح‌دهنده عملکرد انرژی الکتریکی اشاره دارد.

چگونه می‌توان تداخلات را کاهش داد؟

استفاده از دستگاه‌های جبران‌کننده و به‌روزرسانی زیرساخت‌ها از جمله روش‌هاست.

چرا کیفیت انرژی الکتریکی مهم است؟

کیفیت انرژی الکتریکی بر پایداری و ایمنی کارکردهای صنعتی تأثیر دارد.

منبع: powerquality.blog