کیفیت توان الکتریکی و نگرانی های هارمونیک

شکل 3. طیف هارمونیک با ECOsine TM Active

مسئله هارمونیک

هارمونیک ها توسط اجزای غیرخطی در سیستم های الکتریکی تولید می شوند که موج سینوسی را مخدوش می کنند. افزایش استفاده از الکترونیک قدرت باعث افزایش متناظر در اعوجاج ولتاژ یا هارمونیک می شود. اجزای الکتریکی مانند درایوهای فرکانس متغیر، منابع تغذیه اضطراری و اینورترها همگی هارمونیک‌هایی با نظم‌های متفاوت را به سیستم الکتریکی وارد می‌کنند. هنگامی که هارمونیک ها وجود دارند، می توانند خود را با پیامدهای کوتاه مدت و بلندمدت نشان دهند. اعوجاج هارمونیک بالا می تواند باعث خرابی یا نقص در دستگاه های الکتریکی شود. هارمونیک ها همچنین باعث افزایش دما در شبکه برق و تجهیزات می شوند و در نتیجه باعث تلفات و عمر مفید کمتر می شود. فیلترهای هارمونیک به کاهش یا حذف هارمونیک های مشکل دار کمک می کنند، قبل از اینکه آسیبی به سیستم یا تجهیزات الکتریکی وارد شود.

شکل 1. حدود اعوجاج جریان IEEE 519-2014 (%)
شکل ۱٫ حدود اعوجاج جریان IEEE 519-2014 (%)

سیستم قدرت الکتریکی، مرور کلی هارمونیک

به طور کلی جریان های هارمونیک نتیجه رفتار غیر خطی وسایل الکتریکی است. منابع جریان های هارمونیک و در نتیجه ولتاژ هارمونیک در سیستم های قدرت چندتایی هستند و اندازه آنها متفاوت است (از چند KVA تا چندین MVA). به طور معمول، دستگاه هایی با هسته آهن مغناطیسی، مانند ترانسفورماتورها یا ژنراتورها، یک منطقه کلیدی از نگرانی هارمونیک بوده اند. امروزه با تقاضا برای بهره وری انرژی تجهیزات الکترونیکی قدرت، کاهش یا کاهش هارمونیک ها همچنان در اولویت بسیاری از مشتریان تجاری، صنعتی و صنعتی خاص مانند تصفیه آب و فاضلاب و نفت و گاز قرار دارد.

تاسیسات متعددی نیاز به برآورده کردن الزامات سختگیرانه دارند تا بتوانند به طور قابل اعتماد و مطابق با محیط زیست کار کنند. کاربران باید از در دسترس بودن عملیات در یک برنامه ۲۴/۷ اطمینان حاصل کنند.

از آنجایی که اکثر برقی که به کاربر عرضه می شود از یک منبع برق، یعنی از شرکت برق محلی تامین می شود، بیشتر مشکلات برق تجربه شده در سطح تاسیسات واقعاً از درون عملیات خود نیروگاه نشات می گیرد. هارمونیک ها معمولاً در شبکه برق تاسیسات وجود دارند و می توانند مسائلی از مزاحم تا فاجعه بار را ایجاد کنند. فیلتر هارمونیک، که می‌تواند با راه‌حل‌های فعال یا غیرفعال انجام شود، به حذف مشکلات هارمونیک کمک می‌کند و در عین حال عملکرد تجهیزات و سیستم برق کلی تسهیلات را افزایش می‌دهد.

IEEE-519-2014 مجموعه ای از توصیه های شناخته شده است که شامل حداکثر مقادیر مجاز اعوجاج جریان و ولتاژ در نقطه اتصال مشترک (PCC) است. حد اعوجاج به عنوان تابعی از بارگذاری سیستم داده می شود، به عنوان مثال، رابطه بین حداکثر جریان اتصال کوتاه (I SC ) و حداکثر جریان بار تقاضا (I L ) در PCC.

هنگامی که فیلترها و راکتورهای هارمونیک غیرفعال و فعال ECOsine® در سیستم الکتریکی نصب می شوند، هارمونیک ها را برای برآورده کردن الزامات اکثر استانداردهای بین المللی کاهش می دهند. آنها خطوط و ترانسفورماتورها را در بالادست بار غیر خطی (به عنوان مثال، یکسو کننده پل دیودی سه فاز) تخلیه می کنند و از این رو تلفات کلی سیستم و دمای عملیاتی را کاهش می دهند. علاوه بر این، ضریب توان کل به طور قابل توجهی بهبود یافته است و حتی در بار جزئی نزدیک به واحد باقی می ماند.

شکل 2. طیف هارمونیک بدون فیلتر فعال
شکل ۲٫ طیف هارمونیک بدون فیلتر فعال

شکل 2 الف. ولتاژ و جریان ورودی بدون فیلتر هارمونیک فعال
شکل ۲ الف. ولتاژ و جریان ورودی بدون فیلتر هارمونیک فعال

هارمونیک و تجهیزات

اینورترهای فرکانس یکی از پرکاربردترین تجهیزات برای کنترل موتور AC هستند. چنین قطعاتی تقریباً در هر زمینه ای از صنعت، در کاربردهای متنوعی مانند پمپ ها، فن ها، دمنده ها و حتی تجهیزات HVAC یافت می شوند. در تلاش برای تبدیل توان فوق فشرده و کارآمد، سازندگان اینورتر از تکنیک های سوئیچینگ نیمه هادی با سرعت بالا و مدولاسیون عرض پالس (PWM) استفاده می کنند که می تواند مشکلات هارمونیک ایجاد کند.

کوره های قوس الکتریکی و جوشکارها، از جمله رباتیک جوشکاری، معمولاً کاربردهای بسیار زیادی انرژی مصرف می کنند. این توان بالا، همراه با یک جریان ولتاژ غیرخطی بسیار زیاد، مقادیر قابل توجهی اعوجاج هارمونیک را ایجاد می کند. از نقطه نظر فنی، کوره های قوس الکتریکی در فازهای مختلف (ذوب، تصفیه هوا، پالایش) با سطوح مختلف هارمونیک کار می کنند. علاوه بر این، این تجهیزات ترکیبی از تاخیرهای احتراق و تغییرات سریع ولتاژ ناشی از تغییرات تصادفی قوس است. این منجر به یک طیف هارمونیک غیر معمول با مضرب زوج و فرد فرکانس اساسی می شود.

برای مثال، اجزای الکترونیکی درون یک ماشین CNC، به‌ویژه به «نقایص الکتریکی» موجود در سیستم توزیع برق حساس هستند. مشکلات در اینجا می تواند شامل خرابی تجهیزات یا برنامه، همراه با آسیب به قطعات و مواد باشد. این می تواند منجر به تحویل از دست رفته و مشکلات بالقوه کیفیت، مشتریان ناراضی و نگرانی های مالی برای یک شرکت شود.

استفاده از درایوهای سرعت متغیر برای پمپ ها و فن ها باعث ایجاد یک محتوای هارمونیک از جریان در منبع می شود که می تواند منجر به اضافه بار حرارتی زیرساخت الکتریکی و اختلال در عملکرد تجهیزات و قطعات حساس شود. در بسیاری از تاسیسات تصفیه آب و فاضلاب، مراحل بیولوژیکی جدید کار با باکتری ها اجرا می شود. این منجر به نصب کمپرسورهای هوای بسیار قدرتمند VFD می شود زیرا باکتری ها برای انجام کار مورد نیاز به هوا نیاز دارند. این VFD ها اعوجاج هارمونیک بسیار بالا و غیرقابل قبولی ایجاد می کنند.

هارمونیک ها می توانند شبکه برق را خراب کنند و باعث از کار افتادن بردهای مدار در PLC، قطع شدن قطع کننده مدار، سوختن فیوزها، گرم شدن بیش از حد موتورها و ترانسفورماتورها، خرابی عایق و کاهش عمر مفید تجهیزات شوند. علاوه بر این، زمان توقف تولید/زمان شروع مجدد و از دست دادن حمل و نقل (درآمد) همراه با هزینه های تعمیر ممکن است منجر به کاهش سود شرکت شود.

بررسی هارمونیک سایت (استفاده از متر/آنالایزر) یا یک مطالعه مهندسی کامل ممکن است برای تعیین کامل هارمونیک های موجود (و سایر مسائل PQ) لازم باشد تا راه حل پیشنهادی به کاربر ارائه شود. در بسیاری از موارد، اما نه همه موارد، دستورالعمل های IEEE 519 (2014) برای سطح قابل قبول اعوجاج دنبال می شود. بازنگری کامل سیستم موجود، تجهیزات جدید/برنامه ریزی شده یا مقاوم سازی شده همراه با هرگونه توسعه کارخانه باید در نظر گرفته شود.

فیلترهای هارمونیک غیرفعال

یک راه حل برای کاهش هارمونیک ها استفاده از فیلترهای هارمونیک غیرفعال است. چنین فیلترهای متصل به سری معمولاً “یک به یک” نصب می شوند، به عبارت دیگر – یک فیلتر برای هر VFD. در صورت نیاز، می‌توان یک فیلتر غیرفعال بزرگتر برای قرار دادن چندین درایو طراحی کرد.

منطقی ترین نقطه نصب که در آن هارمونیک ها حذف می شود، درست در بار غیر خطی منبع-منفرد است. یک فیلتر غیرفعال یک مسیر امپدانس کم را برای جریان های هارمونیک، به عنوان مثال توسط یکسو کننده، فراهم می کند. این به طور قابل توجهی میزان هارمونیک های جاری در سراسر سیستم قدرت الکتریکی را کاهش می دهد. نتیجه نهایی بار غیر خطی است که جریان سینوسی را از منبع/شبکه ​​برق می کشد.

نصب فیلترهای هارمونیک غیرفعال فوراً برای سیستم الکتریکی مفید خواهد بود، زیرا آنها به محدود کردن دامنه هارمونیک های جریان و در نتیجه کاهش تلفات کمک می کنند و به کارآمدتر و مطمئن تر تجهیزات را کار می کنند. علاوه بر این، آنها به حداکثر استفاده از ظرفیت سیستم الکتریکی کمک می کنند.

در یک سیستم محرک معمولی، کل اعوجاج جریان هارمونیک تا حد قابل قبول کاهش می یابد و در صورت لزوم با IEEE 519 مطابقت دارد. فیلترهای غیرفعال باید بتوانند عملکرد مطلوبی را در شرایط بارگذاری کامل و کم بار ارائه دهند.

فیلترهای غیرفعال را می توان در دو نوع طراحی یافت: ۱) <5% THD i و ۲) ۷-۱۰% THD i . بارها IEEE 519 دنبال می شود. با این حال، برنامه هایی وجود دارند که مثلاً ۷ یا ۸ درصد بهبود THD i نیازهای کاربر نهایی را برآورده می کند. به عنوان یک “قاعده” کلی، فیلترهای غیرفعال نسبت به فیلترهای فعال اقتصادی تر هستند، اگرچه ممکن است به طور موثر طیف وسیعی از نظم های هارمونیک مانند فیلترهای فعال را کاهش ندهند.

شکل 3. طیف هارمونیک با ECOsine TM Active
شکل ۳٫ طیف هارمونیک با ECOsine TM Active

شکل 3a. ولتاژ و جریان ورودی با ECOsine TM Active و همچنین جریان جبرانی فیلتر
شکل ۳a. ولتاژ و جریان ورودی با ECOsine TM Active و همچنین جریان جبرانی فیلتر

محلول فیلتر هارمونیک فعال

راه حل دیگر برای کاهش هارمونیک ها استفاده از فیلترهای هارمونیک فعال (AHF) است، دستگاه هایی با کیفیت توان که به طور دائم بار غیرخطی را کنترل می کنند و به صورت دینامیکی جریان دقیق کنترل شده را ارائه می دهند و به جلوگیری از اعوجاج در شبکه قدرت کمک می کنند. این جریان دارای همان دامنه جریان هارمونیک است اما در تغییر فاز مخالف تزریق می شود و جریان های هارمونیک در سیستم الکتریکی را خنثی می کند. در نتیجه، جریان تامین‌شده توسط منبع تغذیه سینوسی باقی می‌ماند زیرا هارمونیک‌ها یکدیگر را نفی می‌کنند و اعوجاج هارمونیک به کمتر از ۵% THD i کاهش می‌یابد که تمام استانداردها را برآورده می‌کند. علاوه بر این، پلت فرم الکترونیک قدرت AHF برای عملکرد در سطوحی طراحی شده است که به طور مداوم با تغییرات بار سریع سازگار است. با شرایط بار ایجاد هارمونیک تا ۵۰مرتبه ، فیلترهای فعال در محدوده فرکانس وسیعی کار می کنند و عملکرد خود را با طیف هارمونیک حاصل تطبیق می دهند.

فیلترهای هارمونیک فعال همچنین می توانند ضریب قدرت جابجایی ضعیف را با جبران جریان راکتیو سیستم تصحیح کنند. فیلتر همچنین بارهای فازها را متعادل می کند. این دستگاه های پیچیده مجهز به ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) و قطعات پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) هستند. به طور کلی، فیلترهای هارمونیک فعال را می توان در هر نقطه از یک شبکه AC ولتاژ پایین (دستگاه موازی) نصب کرد و معمولاً عملکرد بسیار بیشتری نسبت به فیلترهای غیرفعال خود ارائه می دهند.

فیلترهای هارمونیک فعال این ویژگی ها را با اندازه فیزیکی کوچک و عملکرد کارآمد خود ترکیب می کنند که آنها را به گزینه های ایده آل برای طیف گسترده ای از کاربردها تبدیل می کند. فیلترهای فعال را می توان برای اتصالات ۳ سیم یا ۴ سیم تهیه کرد (۳ سیم رایج ترین در آمریکای شمالی است). ترانسفورماتورهای جریان سیگنالی را به فیلتر ارسال می کنند که می تواند در خط یا سمت بار شبکه قدرت اعمال شود.

فیلترهای هارمونیک فعال را می توان برای یک یا گروهی از بارهای غیرخطی اعمال کرد. نصب‌های احتمالی AHF شامل تصحیح ضریب توان در محیط‌های غنی از هارمونیک است که در آن‌ها نمی‌توان فیلتر را با استفاده از خازن‌ها به درستی انجام داد. جایی که هم ضریب توان و هم اصلاح هارمونیک مورد نیاز است. و در جایی که برق اضطراری یا تولید پراکنده در شبکه برق وجود دارد.

به طور کلی فیلترهای هارمونیک فعال در چندین درجه بندی موجود هستند. این رتبه‌بندی‌ها می‌تواند شامل واحدهای جداگانه برای ۵۰، ۱۰۰، ۲۰۰، ۲۵۰ یا ۳۰۰ آمپر باشد. پیکربندی‌های مختلف مانند نوع باز، یا رتبه‌بندی‌های مختلف حفاظت از محفظه NEMA و توانایی موازی کردن چندین فیلتر فعال، برای کاربردهای جریان بالاتر، معمولی هستند. ولتاژ نصب اکثرا ۴۸۰VAC و ۶۰۰VAC می باشد. الزامات ۶۰۰VAC می‌تواند از یک ترانسفورماتور کاهنده (۶۰۰/۴۸۰VAC) با فیلتر هارمونیک فعال استفاده کند، یا از یک فیلتر فعال “بنابراین ساخته شده” با درجه بندی ۶۰۰/۶۹۰VAC استفاده کند، در جایی که ترانسفورماتور لازم نیست. فیلترهای فعال شامل کنترل‌های صفحه کلید و ارتباطات نمایشگر اپراتور مانند RS485 و TCP/IP Ethernet، به همراه نرم‌افزار برای ارتباطات و نظارت از طریق یک محصول مبتنی بر ویندوز می‌شوند.

فیلتر اکتیو بهتر است با VFD های ۶ پالس استفاده شود. این محصولات VFD مقرون به صرفه ترین، بسیار رایج و در دسترس هستند. یک AHF را می توان برای چندین درایو با هر رتبه اسب بخار و هر سازنده ای استفاده کرد. درایوهای ۱۸ پالس قیمت بسیار بالاتری دارند و با ترانسفورماتور خود فضای (با ارزش) بیشتری را اشغال می کنند. علاوه بر این، اگر یک درایو ۱۸ پالس از کار بیفتد، “خارج از تولید” است، در حالی که اگر یک AHF از کار بیفتد یا نیاز به سرویس داشته باشد، VFD به کار خود ادامه می دهد.

در جایی که ماشین آلات و تجهیزات به صورت الکترونیکی کنترل می شوند و نیاز به رعایت استانداردهای دقیق تولید دارند، اجزای الکترونیکی حساس باید در برابر هارمونیک های هدایت شده توسط سیستم توزیع نیروی برق تاسیسات محافظت شوند. استفاده از فیلترهای هارمونیک فعال می تواند عملکرد قابل اعتماد ماشین آلات را به دست آورد و کیفیت فرآیند را تضمین کند، در حالی که به حمایت از سود مالی کمک می کند.

مثال کاربردی با فیلترهای فعال

تجهیزات تصحیح ضریب توان (PFC) از تلفات اضافی قابل توجه ناشی از هارمونیک ها متحمل شدند. نصب AHF با جریان جبرانی ۵۰۰ A امداد الکتریکی و حرارتی مورد نیاز را برای PFC به ارمغان آورد که کیفیت برق را به میزان قابل توجهی بهبود بخشید و همچنین امکان نصب یک ژنراتور پشتیبان را در صورت قطعی فراهم کرد. اضافه کردن ژنراتور قبلاً به دلیل محتوای هارمونیک رایج غیرممکن بود. قابلیت منحصر به فرد AHF برای انطباق با وضعیت شبکه و بار در هر زمان به طور ایده آل به تضمین عملکرد قابل اعتماد مداوم تصفیه خانه فاضلاب کمک کرد.

در جایی که ماشین آلات و تجهیزات به صورت الکترونیکی کنترل می شوند و نیاز به رعایت استانداردهای دقیق تولید دارند، اجزای الکترونیکی حساس باید در برابر هارمونیک های هدایت شده توسط سیستم توزیع نیروی برق تاسیسات محافظت شوند. استفاده از فیلترهای هارمونیک فعال می تواند به عملکرد قابل اعتماد ماشین آلات دست یابد و کیفیت فرآیند را تضمین کند و در عین حال به حمایت از سود مالی کمک کند.

نظر نهایی

پس از شناسایی هارمونیک ها و مشخص شدن نیاز به راه حل کاهش، انتخاب تجهیزات مناسب باید بررسی و اجرا شود. با توجه به مشکلات فراوان مربوط به هارمونیک ها (خرابی تجهیزات، هزینه های تعویض و تعمیر و نگهداری، عملکرد نامناسب قطعه یا سیستم، زمان توقف تولید و غیره)، توصیه می شود برای کمک به ROI هرگونه تجهیزات کاهش آتی، سوابق مربوط به این هزینه ها را حفظ کنید.

منابع

• Schaffner Introduces Integrated Standard Active Harmonic، http://www.arisind.com/schaffner-introduces-integrated-standard-active-harmonic- (دسترسی در ۱۷ سپتامبر ۲۰۱۵).
• Handling Harmonics – Canadian Industrial Machinery، http://www.cimindustry.com/article/management/handling-harmonics (دسترسی در ۱۷ سپتامبر ۲۰۱۵).
• بروشور ECOsine Passive mitigationEN – TRANSMISIONES، http://www.transmisiones.de/PDF/EcoSine_Pasive_EN.pdf (دسترسی در ۱۷ سپتامبر ۲۰۱۵).
• نکته کاربردی راهکارهای فیلتر موج سینوسی برای درایو موتور …، http://schaffner.com/en/downloads/file-download/file/sine-wave-filter-solutions- (دسترسی در ۱۷ سپتامبر ۲۰۱۵).

نویسنده: چاک گوگلر، مدیر کیفیت برق، آمریکای شمالی

آدرس منبع: https://iaeimagazine.org/2015/november2015/electrical-power-quality-and-harmonic-concerns/