بارهـای هـارمونیـک
مقدمه: هنگاميكه استفاده از مبدلهاي الكترونيك قدرت در اواخر دهه 1970 معمول گرديد ، توجه بسياري از مهندسين شركتهاي برق درمورد توانايي پذيرش اعوجاج هارمونيكي توسط سيستمهاي قدرت را برانگيخت .
پيشبيني هاي مأيوسكنندهاي از سرنوشت سيستمهاي قدرت درصورت اجازه استفاده ازاين تجهيزات انجام گرفت . درحاليكه بعضي ازاين نگرانيها احتمالاً بيش از حد قلمداد گرديدند ، ولي بررسي مفهوم كيفيت برق مديون اين افراد بهدليل پيگيري آنها درمورد اين مسئله ميباشد .
بروز هارمونيك در سيستمهاي برق اولين پيامد عناصر غيرخطي در شبكه است . بهخاطر گسترش فزاينده استفاده از عناصر غيرخطي در سيستمهاي برق ، مانند راهاندازها (درايورهاي تنظيم سرعت) و مبدلهاي الكترونيكي قدرت ، مقدار هارمونيك شكل موج جريان و ولتاژ بهطور چشمگيري افزايش يافته است و بنابراين اهميت موضوع كاملاً مشخص است.
بررسي مسائل هارمونيكها منجر به تحقيقاتي گرديد كه نتايج آن نقطهنظرات متعددي درمورد كيفيت برق بود. بهنظر برخي از محققين، اعوجاج هارمونيكي هنوز مهمترين مسئلـه كيفيت برق ميباشد. مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين معمولي طراحي سيستمهاي قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلي مغاير است.
بنابراين مهندس برق با پديدههاي ناآشنايي روبرو ميشود كه نياز به ابزار پيچيده و تجهيزات پيشرفته براي حل مشكلات و تجزيه و تحليل آنها دارد.
گرچه تحليل مسائل هارمونيكي ميتواند دشوار باشد، ولي خوشبختانه همة سيستم قدرت داراي مشكل هارمونيكي نيست و فقط درصد كمي از فيدرهاي مربوط به سيستمهاي توزيع تحتتأثير عوامل ناشي از هارمونيكها قرار ميگيرند.
مشتركين برق در صورت وجود هارمونيكها مشكلات زيادتري از شركتهاي برق را تحمل ميكنند. مشتركين صنعتي كه از محركههاي موتور با قابليت تنظيم سرعت،
كورههاي قوس الكتريكي، كورههاي القايي، يكسوكنندهها ، اينورترها، دستگاههاي جوش و نظاير آن استفاده ميكنند، نسبت به مسائل ناشي از اعوجاج هارمونيكي ضربهپذيرتر از بقية مشتركين ميباشند.
اعوجاج هارمونيكي يك پديده جديد در سيستمهاي قدرت به شمار نميرود. نگراني ناشي از اعوجاج در بسياري از دورهها درسيستمهاي قدرت الكتريكي جريان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوي منابع و مطالب تكنيكي دهههاي قبل نشان ميدهد كه مقالات مختلفي دررابطه با اين موضوع انتشار يافته است. اولين منابع هارمونيكي شناختهشده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستمهاي تلفن پديد آمد.
استفاده گروهي از لامپهاي قوس الكتريك بهدليل مؤلفههاي هارمونيكي توجهات خاصي را برانگيخت ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدلهاي الكترونيك قدرت در سالهاي اخير نبوده است.
خوشبختانه در طي اين سال ها پژوهشگران متوجه شده اند كه اگر سيستم انتقال به نحو مناسبي طراحي گردد، بهنحوي كه بتواند مقدار توان مورد نياز بارها را به راحتي تأمين نمايد، احتمال ايجاد مشكل ناشي از هارمونيكها براي سيستم قدرت بسيار كم خواهدبود، گرچه اين هارمونيكها ميتوانند موجب مسائلي در سيستمهاي مخابراتي شوند. اغلب در سيستمهاي قدرت مشكلات زماني بروز ميكنند كه خازنهاي موجود در سيستم باعث ايجاد تشديد دريك فركانس هارمونيكي گردند.
دراين شرايط اغتشاشات و اعوجاجات، بسيار بيش از مقادير معمول ميگردند. امكان ايجاد اين مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولي شرايط بدتر در سيستمهاي صنعتي بهدليل درجه زيادي از تشديد رخ ميدهد.
علت ايجاد اعوجاج هارمونيكي
اعوجاج هارمونيكي در سيستمهاي قدرت ناشي از عناصر غيرخطي ميباشد. عنصر غيرخطي عنصري است كه جريان آن متناسب با ولتاژ اعمالي نميباشد افزايش چند درصدي ولتاژ ممكن است باعث شود كه جريان دوبرابر شده و نيز موج جريان شكل ديگري به خود بگيرد. اين مورد ساده اي از منبع توليد اعوجاج در سيستم قدرت ميباشد.
هر شكل موج اعوجاجي پريوديك را ميتوان به صورت جمع موجهاي سينوسي بيان نمود . يعني وقتي كه شكل موج از يك سيكل به سيكل ديگر تغيير نكند، اين موج را ميتوان به صورت جمع امواج سينوسي خالص كه درآن فركانس هر موج سينوسي، مضرب صحيحي از فركانس اصلي موج اعوجاجي است نمايش داد.
اين موجهاي سينوسي كه فركانس آنها ضريب صحيحي از فركانس اصلي ميباشند، هارمونيكهاي مؤلفه اصلي گويند. جمع اين موجهاي سينوسي به سري فوريه معروف است اين مفهوم رياضي اولين بار توسط فوريه رياضيدان فرانسوي مورد توجه قرار گرفت.
مزاياي فني و اقتصادي كاهش هارمونيكها
اگرچه بحث تفصيلي درمورد خسارات هارمونيكها ، پيچيده است ولي ميتوان در يك جمعبندي اجمالي مزاياي كاهش هارمونيكها را بهشرح زير بيان نمود :
1)كاهش تلفات تجهيزات الكتريكي و شبكه برقرساني
2)آزادسازي ظرفيت تجهيزات شبكه مانند موتورهاي الكتريكي و ترانسفورماتورها
3)افزايش طول عمر تجهيزات بهدليل كاهش تلفات و كاهش درجه حرارت
4)كاهش احتمال رزونانس موازي و سري در شبكه
5)افزايش راندمان موتورهاي الكتريكي
6)كاهش خطاي عملكرد رلهها ، تجهيزات كنترلي و حفاطتي شبكه ناشي از تأثيرات هارمونيكها
7)كاهش خطاي قرائت دستگاههاي اندازهگيري و كنتورها و در نتيجه كاهش خطاي مبالغ دريافتي از مشتركين
خونسرد عملكرد بهتر تجهيزات شبكه و مشتركين از جمله ماشينهاي الكتريكي بهدليل كاهش اثر گشتاورهاي مخالف بهواسطه برخي از هارمونيكها
9)بهبود رضايت مشتركين بهدليل بهبود كيفيت توان
تجهيزات آسيبپذير
موتورهاي الكتريكي ازجمله وسايلي هستند كه درمعرض بيشترين اثر نامطلوب هارمونيكها قراردارند، هارمونيك حاصلاز ولتاژ تغذيه باعث تلفات بالاتر در موتورهاي الكتريكي شده كه باعث كاهش ظرفيت نامي ميشود. كاهش عمر و فرسوده شدن عايقبندي موتور بهخاطر افزايش دماي داخلي بالاتراز ميزان نامي، از ديگر اثرات نامطلوب هارمونيكها در موتورهاي الكتريكي است.
سيستم عايقبندي آسيبپذيرترين قسمت يك موتور الكتريكي درمقابل افزايش دماي حاصلاز هارمونيك است.تسريع در فرسايش، خطا و مشكلات عايقي و كاهش عمر معمولترين نشانههاي مشاهده شده در سيستمهاي عايقيِ درمعرض اضافه حرارت، ميباشد.
منابع توليد هارمونيك
پيدايش عناصر نيمه هادي و المانهاي غيرخطي نظير ديود ، تريستور و ... و استفادة فراوان از آنها در شبكههاي قدرت عامل جديدي براي ايجاد هارمونيك در سيستمهاي قدرت بهوجود آورد. كاربرد اين عناصر را ميتوان در تجهيزات و سيستمهاي قدرت زير ديد:
- كورههاي قوس الكتريكي و القايي
- يكسوكنندهها و مبدلهاي الكترونيك قدرت
- تجهيزات مورد استفاده در كنترلكنندههاي سرعت ماشينهاي الكتريكي ( vsd)
- كاربرد svc بعنوان ابزار مهمي دركنترل توان راكتيو
- بارهاي غيرخطي شامل دستگاههاي جوشكاري
- جريان مغناطيسي ترانسفورماتور
از سوي ديگر عوامل زير را نيز ميتوان به عنوان توليدكنندة هارمونيك در نظر گرفت:
- توليد شكل موج غير سينوسي توسط ماشينهاي سنكرون ناشي از وجود شيارها و عدم توزيع يكنواخت سيمپيچيهاي استاتور
- توزيع غير سينوسي فوران مغناطيسي در ماشينهاي سنكرون
همچنين صنايع زير را ميتوان از جمله عوامل توليد هارمونيك در شبكههاي الكتريكي محسوب نمود:
- صنايع شامل مجتمعهاي شيميايي و پتروشيمي و نيز صنايع ذوب آلومينيم كه از يكسوكنندههاي پرقدرت براي توليد برق dc مورد نيـاز انجام فرآيندهاي شيميـائي و ذوب آلومينيـم استفـاده ميكنند. با توجـه به قـدرت بالا، اين يكسـوكنندهها هارمونيك قابل ملاحظهاي در شبكة قدرت به وجود ميآورند.
- استفاده از سيستمهاي الكترونيك قدرت در سيستم حمل و نقل برقي مانند اتوبوس برقي و متروها باعث ميشود سطوح زيادي از هارمونيك به سيستم توزيع تزريق شود.
- بارهاي غيرخطي مانند كورههاي قوس الكتريكي كه در صنايع ذوبآهن استفاده ميشود از عوامل توليد هارمونيك در مقياس بزرگ ميباشند.
مقدمه: هنگاميكه استفاده از مبدلهاي الكترونيك قدرت در اواخر دهه 1970 معمول گرديد ، توجه بسياري از مهندسين شركتهاي برق درمورد توانايي پذيرش اعوجاج هارمونيكي توسط سيستمهاي قدرت را برانگيخت .
پيشبيني هاي مأيوسكنندهاي از سرنوشت سيستمهاي قدرت درصورت اجازه استفاده ازاين تجهيزات انجام گرفت . درحاليكه بعضي ازاين نگرانيها احتمالاً بيش از حد قلمداد گرديدند ، ولي بررسي مفهوم كيفيت برق مديون اين افراد بهدليل پيگيري آنها درمورد اين مسئله ميباشد .
بروز هارمونيك در سيستمهاي برق اولين پيامد عناصر غيرخطي در شبكه است . بهخاطر گسترش فزاينده استفاده از عناصر غيرخطي در سيستمهاي برق ، مانند راهاندازها (درايورهاي تنظيم سرعت) و مبدلهاي الكترونيكي قدرت ، مقدار هارمونيك شكل موج جريان و ولتاژ بهطور چشمگيري افزايش يافته است و بنابراين اهميت موضوع كاملاً مشخص است.
بررسي مسائل هارمونيكها منجر به تحقيقاتي گرديد كه نتايج آن نقطهنظرات متعددي درمورد كيفيت برق بود. بهنظر برخي از محققين، اعوجاج هارمونيكي هنوز مهمترين مسئلـه كيفيت برق ميباشد. مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين معمولي طراحي سيستمهاي قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلي مغاير است.
بنابراين مهندس برق با پديدههاي ناآشنايي روبرو ميشود كه نياز به ابزار پيچيده و تجهيزات پيشرفته براي حل مشكلات و تجزيه و تحليل آنها دارد.
گرچه تحليل مسائل هارمونيكي ميتواند دشوار باشد، ولي خوشبختانه همة سيستم قدرت داراي مشكل هارمونيكي نيست و فقط درصد كمي از فيدرهاي مربوط به سيستمهاي توزيع تحتتأثير عوامل ناشي از هارمونيكها قرار ميگيرند.
مشتركين برق در صورت وجود هارمونيكها مشكلات زيادتري از شركتهاي برق را تحمل ميكنند. مشتركين صنعتي كه از محركههاي موتور با قابليت تنظيم سرعت،
كورههاي قوس الكتريكي، كورههاي القايي، يكسوكنندهها ، اينورترها، دستگاههاي جوش و نظاير آن استفاده ميكنند، نسبت به مسائل ناشي از اعوجاج هارمونيكي ضربهپذيرتر از بقية مشتركين ميباشند.
اعوجاج هارمونيكي يك پديده جديد در سيستمهاي قدرت به شمار نميرود. نگراني ناشي از اعوجاج در بسياري از دورهها درسيستمهاي قدرت الكتريكي جريان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوي منابع و مطالب تكنيكي دهههاي قبل نشان ميدهد كه مقالات مختلفي دررابطه با اين موضوع انتشار يافته است. اولين منابع هارمونيكي شناختهشده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستمهاي تلفن پديد آمد.
استفاده گروهي از لامپهاي قوس الكتريك بهدليل مؤلفههاي هارمونيكي توجهات خاصي را برانگيخت ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدلهاي الكترونيك قدرت در سالهاي اخير نبوده است.
خوشبختانه در طي اين سال ها پژوهشگران متوجه شده اند كه اگر سيستم انتقال به نحو مناسبي طراحي گردد، بهنحوي كه بتواند مقدار توان مورد نياز بارها را به راحتي تأمين نمايد، احتمال ايجاد مشكل ناشي از هارمونيكها براي سيستم قدرت بسيار كم خواهدبود، گرچه اين هارمونيكها ميتوانند موجب مسائلي در سيستمهاي مخابراتي شوند. اغلب در سيستمهاي قدرت مشكلات زماني بروز ميكنند كه خازنهاي موجود در سيستم باعث ايجاد تشديد دريك فركانس هارمونيكي گردند.
دراين شرايط اغتشاشات و اعوجاجات، بسيار بيش از مقادير معمول ميگردند. امكان ايجاد اين مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولي شرايط بدتر در سيستمهاي صنعتي بهدليل درجه زيادي از تشديد رخ ميدهد.
علت ايجاد اعوجاج هارمونيكي
اعوجاج هارمونيكي در سيستمهاي قدرت ناشي از عناصر غيرخطي ميباشد. عنصر غيرخطي عنصري است كه جريان آن متناسب با ولتاژ اعمالي نميباشد افزايش چند درصدي ولتاژ ممكن است باعث شود كه جريان دوبرابر شده و نيز موج جريان شكل ديگري به خود بگيرد. اين مورد ساده اي از منبع توليد اعوجاج در سيستم قدرت ميباشد.
هر شكل موج اعوجاجي پريوديك را ميتوان به صورت جمع موجهاي سينوسي بيان نمود . يعني وقتي كه شكل موج از يك سيكل به سيكل ديگر تغيير نكند، اين موج را ميتوان به صورت جمع امواج سينوسي خالص كه درآن فركانس هر موج سينوسي، مضرب صحيحي از فركانس اصلي موج اعوجاجي است نمايش داد.
اين موجهاي سينوسي كه فركانس آنها ضريب صحيحي از فركانس اصلي ميباشند، هارمونيكهاي مؤلفه اصلي گويند. جمع اين موجهاي سينوسي به سري فوريه معروف است اين مفهوم رياضي اولين بار توسط فوريه رياضيدان فرانسوي مورد توجه قرار گرفت.
مزاياي فني و اقتصادي كاهش هارمونيكها
اگرچه بحث تفصيلي درمورد خسارات هارمونيكها ، پيچيده است ولي ميتوان در يك جمعبندي اجمالي مزاياي كاهش هارمونيكها را بهشرح زير بيان نمود :
1)كاهش تلفات تجهيزات الكتريكي و شبكه برقرساني
2)آزادسازي ظرفيت تجهيزات شبكه مانند موتورهاي الكتريكي و ترانسفورماتورها
3)افزايش طول عمر تجهيزات بهدليل كاهش تلفات و كاهش درجه حرارت
4)كاهش احتمال رزونانس موازي و سري در شبكه
5)افزايش راندمان موتورهاي الكتريكي
6)كاهش خطاي عملكرد رلهها ، تجهيزات كنترلي و حفاطتي شبكه ناشي از تأثيرات هارمونيكها
7)كاهش خطاي قرائت دستگاههاي اندازهگيري و كنتورها و در نتيجه كاهش خطاي مبالغ دريافتي از مشتركين
خونسرد عملكرد بهتر تجهيزات شبكه و مشتركين از جمله ماشينهاي الكتريكي بهدليل كاهش اثر گشتاورهاي مخالف بهواسطه برخي از هارمونيكها
9)بهبود رضايت مشتركين بهدليل بهبود كيفيت توان
تجهيزات آسيبپذير
موتورهاي الكتريكي ازجمله وسايلي هستند كه درمعرض بيشترين اثر نامطلوب هارمونيكها قراردارند، هارمونيك حاصلاز ولتاژ تغذيه باعث تلفات بالاتر در موتورهاي الكتريكي شده كه باعث كاهش ظرفيت نامي ميشود. كاهش عمر و فرسوده شدن عايقبندي موتور بهخاطر افزايش دماي داخلي بالاتراز ميزان نامي، از ديگر اثرات نامطلوب هارمونيكها در موتورهاي الكتريكي است.
سيستم عايقبندي آسيبپذيرترين قسمت يك موتور الكتريكي درمقابل افزايش دماي حاصلاز هارمونيك است.تسريع در فرسايش، خطا و مشكلات عايقي و كاهش عمر معمولترين نشانههاي مشاهده شده در سيستمهاي عايقيِ درمعرض اضافه حرارت، ميباشد.
منابع توليد هارمونيك
پيدايش عناصر نيمه هادي و المانهاي غيرخطي نظير ديود ، تريستور و ... و استفادة فراوان از آنها در شبكههاي قدرت عامل جديدي براي ايجاد هارمونيك در سيستمهاي قدرت بهوجود آورد. كاربرد اين عناصر را ميتوان در تجهيزات و سيستمهاي قدرت زير ديد:
- كورههاي قوس الكتريكي و القايي
- يكسوكنندهها و مبدلهاي الكترونيك قدرت
- تجهيزات مورد استفاده در كنترلكنندههاي سرعت ماشينهاي الكتريكي ( vsd)
- كاربرد svc بعنوان ابزار مهمي دركنترل توان راكتيو
- بارهاي غيرخطي شامل دستگاههاي جوشكاري
- جريان مغناطيسي ترانسفورماتور
از سوي ديگر عوامل زير را نيز ميتوان به عنوان توليدكنندة هارمونيك در نظر گرفت:
- توليد شكل موج غير سينوسي توسط ماشينهاي سنكرون ناشي از وجود شيارها و عدم توزيع يكنواخت سيمپيچيهاي استاتور
- توزيع غير سينوسي فوران مغناطيسي در ماشينهاي سنكرون
همچنين صنايع زير را ميتوان از جمله عوامل توليد هارمونيك در شبكههاي الكتريكي محسوب نمود:
- صنايع شامل مجتمعهاي شيميايي و پتروشيمي و نيز صنايع ذوب آلومينيم كه از يكسوكنندههاي پرقدرت براي توليد برق dc مورد نيـاز انجام فرآيندهاي شيميـائي و ذوب آلومينيـم استفـاده ميكنند. با توجـه به قـدرت بالا، اين يكسـوكنندهها هارمونيك قابل ملاحظهاي در شبكة قدرت به وجود ميآورند.
- استفاده از سيستمهاي الكترونيك قدرت در سيستم حمل و نقل برقي مانند اتوبوس برقي و متروها باعث ميشود سطوح زيادي از هارمونيك به سيستم توزيع تزريق شود.
- بارهاي غيرخطي مانند كورههاي قوس الكتريكي كه در صنايع ذوبآهن استفاده ميشود از عوامل توليد هارمونيك در مقياس بزرگ ميباشند.
