مقدمه
درسالهای اولیه هارمونیک‌ها در صنایع چندان رایج نبودند. به‌خاطر مصرف‌کننده‌های خطی متعادل مانند: موتورهای القایی سه فاز، گرم‌کنندها و روشن کننده‌های ملتهب شونده تا درجه سفیدی و … این بارهای خطی جریان سینوسی‌ای در فرکانسی برابر با فرکانس ولتاژ می‌کشند. بنابراین با این تجهیزات اداره کل سیستم نسبتا با سلامتی بیشتری همراه بود. ولی پیشرفت سریع در الکترونیک صنعتی در کاربری صنعتی سبب بوجود آمدن بارهای غیرخطی صنعتی شد. در ساده‌ترین حالت، بارهای غیرخطی شکل موج بار غیر سینوسی از شکل موج ولتاژ سینوسی رسم می‌کنند (شکل موج جریان غیر سینوسی).
اساس هارمونیک ها
هارمونیک‌های ولتاژ و جریان تاثیرات متفاوتی بر تجهیزات الکتریکی دارند. ولی عموما بیشتر تجهیزات الکتریکی به هارمونیک‌های ولتاژ بسیار حساس‌اند. تجهیزات اصلی نیرو، مانند موتورها، خازنها و غیره به وسیله هارمونیک‌های ولتاژ متاثر می‌شوند. به طور عمده هارمونیک‌های جریان موجب تداخل مغناطیسی (Magnetic Interference) و همچنین موجب افزایش اتلاف در شبکه‌های توزیع می‌شوند. هارمونیک‌های جریان وابسته به بار هستند، در حالی که سطح هارمونیک‌های ولتاژ به پایداری سامانه تغذیه و هارمونیک‌های بار (هارمونیک‌های جریان) بستگی دارد. عموما هارمونیک‌های ولتاژ از هارمونیک‌های جریان کمتر خواهند بود.تشدید:
اساسا تشدید سلفی – خازنی در همه انواع بارها مشاهده می‌شود. ولی اگر هارمونیک‌ها در شبکه توضیع شایع نباشند تاثیر تشدید فرونشانده می‌شود.
در هر ترکیب سلفی – خازنی چه در حالت سری و چه در حالت موازی، در فرکانسی خاص تشدید رخ می‌دهد که این فرکانس خاص فرکانس تشدید نامیده می‌شود. فرکانس تشدید فرکانسی است که در آن رآکتانس خازنی (Xc) و رآکتنس القایی (XL) برابر هستند.
برای بار صنعتی که شامل اندوکتانس بار و یا رآکتانس ترانسفورماتور که بعنوان XL عمل می‌کند و رآکتانس خازن تصحیح ضریب توان که بصورت Xc خودنمایی می‌کند فرکانس تشدیدی برابر با LC خواهیم داشت. رآکتانس خازنی متناسب با فرکانس کاهش می‌یابد.
توجه: Xc با فرکانس نسبت عکس دارد در حالی که رآکتانس القایی متناسب با آن افزایش می‌یابد و XL با فرکانس نسبت مستقیم دارد.
این فرکانس تشدید به سبب متغیر بودن الگوی بار متغیر خواهد بود. این مساله برای ظرفیت خازنی ثابت کل برای اصلاح ضریب توان پیچیده‌تر است. برای درک صحیح این پدیده لازم است دو نوع وضعیت تشدید شامل حالت تشدید سری و حالت تشدید موازی مورد توجه قرار گیرند. این دو امکان در زیر توضیح داده می‌شوند.
تشدید سری:
یک ترکیب سری رآکتانس سلفی – خازنی، مدار تشدید سری شکل می‌دهد که در شکل زیر نشان داده شده است.
به خاطر ترکیب سری سلف و خازن، در فرکانس تشدید امپدانس کل به پایین ترین سطح کاهش می‌یابد و این امپدانس در فرکانس تشدید طبیعتی مقاومتی دارد. بنابراین در فرکانس تشدید رآکتانس خازنی و رآکتانس سلفی (القایی) برابر هستند. این امپدانس پایین برای توان ورودی در فرکانس تشدید، افزایش توانی جریان را نتیجه می‌دهد. شکل داده شده زیر رفتار امپدانس خالص در وضعیت تشدید سری را نشان می‌دهد.
در کاربری صنعتی رآکتانس ترانسفورماتور قدرت به علاوه خازنهای اصلاح ضریب توان در سمت ولتاژ پایین به عنوان یک مدار تشدید موازی برای سمت ولتاژ بالای ترانسفورماتور عمل می‌کند. اگر این فرکانس تشدید ترکیب سلف و خازن بر فرکانس هارمونیک شایع در صنعت منطبق شود، بخاطر بستری با امپدانس پایین ارائه شده توسط خازنها برای هارمونیک‌ها، منجر به افزایش توانی جریان خازنها خواهد شد. از این رو خازنهای ولتاژ پایین در سطحی بسیار بالا اضافه بار پیدا خواهند کرد که همچنین این عمل موجب تحمیل بار اضافی بر ترانسفورماتور می‌شود. این پدیده منجر به تخریب ولتاژ در شبکه ولتاژ پایین می‌شود.
تشدید موازی:
یک تشدید موازی ترکیبی از رآکتانس خازنی و القایی است که در شکل زیر نمایش داده شده است.
در اینجا رفتار امپدانس برعکس حالت تشدید موازی خواهد بود که در شکل زیر نشان داده شده است. در فرکانس تشدید امپدانس منتجه مدار به مقداری بالا افزایش می‌یابد. این، منجر به بوجود آمدن مدار تشدید موازی میان خازنهای اصلاح ضریب توان و اندوکتانس بار می‌شود که نتیجه آن عبور ولتاژ بسیار بالا هم اندازه امپدانس‌ها و جریان‌های گردابی بسیار بالا درون حلقه خواهد بود.
در کاربری صنعتی خازن اصلاح ضریب توان مدار تشدید موازی با اندوکتانس بار تشکیل می‌دهد. هارمونیک‌های تولید شده از سمت بار رآکتانس شبکه را افزایش می‌دهند. که موجب بلوکه شدن هارمونیک‌های سمت تغذیه می‌شود. این منجر به تشدید موازی اندوکتانس بار و اندوکتانس خازنی می‌شود. مدار LC (سلفی – خازنی) موازی، شروع به تشدید میان آنها می‌کند که منجر به ولتاژ بسیار بالا و جریان گردابی بسیار بالا در درون حلقه مدار سلف – خازن (LC) می‌شود. نتیجه این امر آسیب به تمام سمت ولتاژ پایین سامانه الکتریکی است.
ایزوله کردن تشدید موازی از ایزولاسیون تشدید سری نسبتا پیچیده‌تر است. اساسا این امر بخاطر تنوع بار صنعتی از زمانی به زمان دیگر است که موجب تغییر فرکانس تشدید می‌شود. شکل زیر تاثیر ظرفیت خازنی ثابت و اندوکتانس متغیر را نشان می‌دهد.
این تغییر مداوم فرکانس تشدید ممکن است موجب تطبیق فرکانس تشدید بر فرکانس هارمونیک شود که ممکن است منتج به ولتاژ بالا و جریان بالا گردد که سبب نقص و خرابی تجهیزات الکتریکی می‌شوند. بنابراین در هر دو تشدید موازی و سری خازنهای قدرت متاثر هستند که بکارگیری دستگاه‌های حفاظتی و ایمنی را برای خازنها ایجاب می‌نماید. این امر درک صحیح بر خازنهای قدرت را قبل از از اعمال تصحیح بخاطر تاثیر هارمونیک‌ها و تشدید ایجاب می‌نماید.
خازن های قدرت:
خازنهای اصلاح ضریب توان نسبت به هارمونیک‌ها حساس هستند و بیشتر عیوب خازنهای قدرت، عیوبی با طبیعت زیر را نشان می‌دهند:
- هارمونیک ها – هارمونیک های پنجم ، هفتم ، یازدهم ، سیزدهم و …
- تشدید
- اضافه ولتاژ
- امواج کلید زنی
- جریان هجومی
- ولتاژ آنی بازگیری جرقه
- تخلیه / بازبست
ولتاژ بسته به طراحی ساختاری اساسی، حدود پایداری در مقابل اضافه ولتاژ، اضافه جریان و هارمونیک‌ها برای دور کردن خازن از خرابی بسیار مهم است. اساسا خازنها امواج کلید زنی تولید می‌کنند که عموما به عنوان جریان هجومی و اضافه ولتاژ آنی دسته‌بندی می‌شوند.
جریان هجومی پدیده‌ای است که هنگام به مدار وصل کردن خازنها رخ می‌دهد. امپدانس ارائه شده توسط خازن طبیعتا بسیار کم و مقاومتی است. این امر منجر به جریان هجومی به بزرگی ۵۰ تا ۱۰۰ برابر جریان اسمی می‌شود که از خازن عبور می‌کند، اما چرا از خازن؟ زیرا امپدانس ترانسفورماتور در زمان روشن کردن خازنها فقط در مقابل شار جریان مقاومت می‌کند.
این امر هنگامی پیچیده‌تر می‌گردد که در ترکیب موازی بانک خازنی ممکن است جریان هجومی کلیدزنی به سطحی بالاتر از ۲۰۰ تا ۳۰۰ برابر جریان اسمی برسد. این جریان هجومی نتیجه تخلیه خازنهای از پیش شارژ شده موازی با آن می‌باشد. در زیر این مطلب نشان داده شده است. نوعا جریان هجومی علاوه بر تخریب در شکل موج جریان سبب تخریب در شکل‌موج ولتاژ می‌شود.
در هنگام خاموش کردن (از مدار خارج کردن) خازنها، بسته به شارژ ذخیره شده در آن، اضافه ولتاژ ناگهانی بالاتری در زمان خاموش کردن خازنها بوجود خواهد آمد که ممکن است موجب پدید آمدن جرقه در پایه‌ها شود.
هنگامی که خازن خاموش می‌شود شار الکتریکی در خود نگه می‌دارد و به وسیله مقاومت‌های تخلیه، تخلیه (Discharge) می‌شود. مدت زمان تخلیه عموما بین ۳۰ تا ۶۰ ثانیه می‌باشد. تا زمانی که تخلیه بشکل موثری صورت نگرفته نمی‌توان خازنها را به مدار بازگرداند. هرگونه بازبست خازن قبل از تخلیه کامل دوباره موجب افزایش جریان هجومی می‌شود.
علاوه بر دستگاه‌های مسدود کننده هارمونیک‌ها که با صحت خازنها نسبت مستقیم دارند، دستگاه های تحلیل برنده امواج کلیدزنی مثل جریان هجومی، اضافه ولتاژ آنی و غیره نیاز دارند که به طور دقیق تعریف و بررسی شوند.
دستگاه های مسدود کننده هارمونیک ها:
برای کاربری سالم خازنها لازم است که فرکانس تشدید مدار LC (سلف – خازن) که شامل ادوکتانس بار و خازنهای اصلاح ضریب توان می‌شود، به فرکانسی دور از کمترین فرکانس هارمونیک تغییر داده شود. برای مثال هارمونیک‌هایی که در سامانه تولید می‌شوند و خازنهای قدرت را متاثر می‌سازند، هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و غیره هستند. پایین ترین هارمونیکی که بر خازنها تاثیر می‌گذارد هارمونیک پنجم است که در فرکانس ۲۵۰ هرتز دیده می‌شود.
ترکیب سری LC (سلف – خازن) در فرکانسی زیر ۲۵۰ هرتز تشدید می‌کند. بنابراین در همه فرکانس‌های هارمونیک‌ها ترکیب سری سلف و خازن مانند یک ترکیب سلفی عمل خواهد کرد و امکان تشدید برای هارمونیک پنجم یا هر هارمونیک بالاتری از بین می‌رود. شکل زیر نامیزان‌سازی (De–Tuning) خازنها را نشان می‌دهد.
این ترکیب سلف و خازن که در آن فرکانس تشدید در فرکانسی دور از فرکانس هارمونیک تنظیم شده است، مدار LC (سلف – خازن) نامیزان شده (De-Tuned) نام دارد. ضریب نا میزان سازی نسبت رآکتانس به طرفیت خازنی است. در مدار خازنی نامیزان شده، اساسا سلف مانند دستگاه مسدود کننده هارمونیک‌ها عمل می‌کند. برای خازنها ضریب مناسب نامیزان سازی حدود ۷٪ است که فرکانس تشدید را در ۱۸۹ هرتز تنظیم می‌کند. اما نامیزان سازی ۵.۶۷٪ همچنین در جایی استفاده می‌شود که فرکانس تشدیدی معادل ۲۱۰ هرتز دارد. هر دو درجه نامیزان سازی، مسدود کردن (بلوکه کردن) هارمونیک‌ها از خازنها را تضمین می‌کنند. شکل زیر درجه نامیزان سازی را نمایش می‌دهد.
بانک های نامیزان سازی خازن:
بانک های نامیزان سازی خازن نیازمند آن هستندکه با نکات اساسی زیر مشخص شوند:
- انتخاب درجه نامیزان سازی
- محاسبه خازن کل خروجی مورد نیاز
- محاسبه افزایش ولتاژ بوسیله سلف‌های سری
درجه نامیزان سازی مطلوب بر پایه هارمونیک موجود است. لازم است که هارمونیک‌های سمت بار اندازه‌گیری شوند تا در درجه نامیزان تصمیم‌گیری شود.
خروجی خازن و سطح ولتاژ نیاز به انتخاب صحیح بر اساس درجه نامیزان سازی دارند. برای مثال برای ۷٪ نامیزان سازی برای رسیدن به ۲۰۰ کیلو ولت آمپر رآکتیو خروجی (KVAR) در ۴۰۰ ولت، نیاز به آن داریم که خازن 240 KVAR خروجی با ولتاژ ۴۰۰ ولت انتخاب نماییم. این بدلیل افزایش ولتاژ به وسیله اندوکتانس سری است. مشابها برای رسیدن به 200 KVAR خروجی در ولتاژ ۴۴۰ ولت به خازنهای 240 KVAR خروجی ۴۸۰ ولتی نیاز است.
محاسبه افزایش ولتاژ به سبب رآکتانس سری، بر اساس نامیزان سازی است و به روش زیر انجام می‌گیرد:
( درجه نامیزان سازی – 1) / (ولتاژ نرمال مجاز) = ولتاژ خازن
سامانه خازنی ایده آل:
برای تصحیح ضریب توان در بار صنعتی کنونی که شامل هارمونیک‌ها و تشدید می‌شود، یک سامانه اتصال خازنی اساسا باید خصوصیات زیر را دارا باشد:
ظرفیت خازنی متغیر بر اساس توان رآکتیو برای دوری از تغییر فرکانس تشدید. این امر انتخاب صحیح پنل‌های APFC را ممکن می‌سازد. پنل APFC باید خصوصیات زیر را داشته باشد.
حسگرها باید به طور مداوم سطح هارمونیک‌های ولتاژ را نمایش دهد و خازنها را تحت زیر سطوح بالاتر هارمونیک‌ها محافظت نماید.
انتخاب محدوده هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و همچنین شناخت تخریب همه هارمونیک‌ها برای تنظیم حدود ایمن و همچنین پیش‌بینی تغییرات بعدی هارمونیک‌ها.
مونیتورینگ جریان RMS برای محافظت خازنها تحت هر حالت تشدید.
کنترل مشخصات، برای دوری از بکارگیری ظرفیت مازاد خازنی تحت حالت کم بار.
انتخاب خازن با عمر بالا و با تضمین مشخصات زیر
ظرفیت اضافه بار: حداقل دو برابر جریان اسمی به طور مداوم و ۳۵۰ برابر آن هنگام جریان هجومی.
قابلیت پایداری در مقابل اضافه ولتاژ: بیشتر از ۱۰٪ و بالاتر از ولتاژ مجاز بصورت پیوسته.
قابلیت پایداری در مقابل هارمونیک‌ها: تضمین محدوده‌های هارمونیک‌های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و همچنین برای محدوده‌های THD.
مدار سلفی De – Tuned برای مسدود کردن هارمونیک‌ها (الگوی هارمونیک بار باید قبل از تعیین درجه نامیزان سازی (De – Tuning) اندازه گیری شود).
انتخاب سطح خازن و سطح ولتاژ براساس درجه نامیزان سازی.
دستگاه‌های کلیدزنی با تقلیل‌دهنده‌های داخلی برای تقلیل امواج کلید زنی برای خازنهای قدرت.
اساسا این خصوصیات با مطالعه متناسب هارمونیک‌های ولتاژ بار همراه است که تضمین می‌کند که تاثیر مخرب هارمونیک‌ها و تشدید از خازن ها دور شود که بدین وسیله عمر خازن ها و کارایی کل سامانه الکتریکی را افزایش می‌دهد.
نتیجه گیری
علم به شرایط و خصوصیات خازنها و عوامل موثر بر آنها از جمله هارمونیک‌ها نه تنها موجب افزایش امنیت و سلامتی و طول عمر آنها خواهد شد بلکه سبب کاهش هزینه‌های پیش بینی شده و نشده در بکارگیری انرژی الکتریکی می‌شود.
منبع: مجله علمی ایلیاد
