هارمونیک

جهان امروز، نیازمند پروسه های اتوماتیک، سریعتر و قابل انعطاف تری است و این به منزله آن است که مدارات کنترلی باید هرچه بیشتر در دستگاهها نصب شوند. مدارات کنترلی باید هرچه بیشتر در دستگاهها نصب شوند. مدارات قدیمی با کنتاکتور کنترل می شدند حال آنکه امروزه کلیه کنترل ها توسط نیمه هادی ها صورت می گیرد. همچنین نیاز به منبع تغذیه دائمی در نقاط حساسی مثل بانکها، بیمارستان ها، مراکز حفاظتی و... استفاده روزافزون از منابع تغذیه دائمی UPS را موجب شده است.

ویژگی اصلی قطعات نیمه هادی (مثل دیود،تریستور یاSCR ، ترانزیستور،IGBT،GTOو...) تغییر شکل و فرم جریان است. شکل زیر دونمونه جریان را به صورت بدون اعوجاج و با اعوجاج نشان می دهد.همانطور که در شکل مشاهده می شود، چنانچه توان مصرفی در هردوبار یکسان باشد، جریان دربار معوج به طرز محسوس بیشتر از بار صاف و بدون اعوجاج است.

محاسبات ریاضی (سری فوریه) اثبات کرده که یک موج غیرسینوسی متناوب، قابل تجزیه به امواج سینوسی با فرکانس های مضرب فرکانس اصلی موج است. به عبارت دیگر هر موج غیرسینوسی متناوب از جمع تعدادی موج سینوسی با فرکانس های اصلی و مضارب آن تشکیل می شود.

اندازه موج اصلی را بنا بر قرارداد و به عنوان پیش فرض 100% ر نظر گرفته و دامنه بقیه برمبنای آن و بصورت درصد بیان می شوند.

شکل موج دارای اعوجاج، به تنهایی اطلاعات د رمورد هارمونیکها به دست نمی دهد، آنچه که طراح را در مورد آنالیزهارمونیک ها یاری می کند نمودار طیف هارمونیک ها است.

دستگاههای اندازه گیری معمولی قادر به اندازه گیری هارمونیکها نیستند، اندازه گیری در سیستم های هارمونیک توسط دستگاههای True RMS قابل انجام است. همچنین اندازه گیری طیف فرکانسها توسط متخصصین و با استفاده از دستگاههای پاور آنالایزر انجام می گیرد.

مهمترین پارامتر اندازه گیری هارمونیک ها THD است.THD که بصورت درصد بیان می شود. نسبت مجموع کلیه مولفه ها به مولفه اصلی است و رابطه آن بشرح زیر می باشد:

عمومی ترین تولید کننده های هارمونیک

همانطور که ذکر شد بارهای غیر خطی تولید کننده هارمونیک هستند، شایع ترین تولید کننده های هارمونیک عبارتند از:

• UPS
• کنرا کننده دور موتور AC
• کنترل کننده موتور DC
• مبدل فرکانس
• دیمر روشنایی
• اینورتر
• شارژ باتری
• کوره قوسی
• دستگاه جوش قوسی
• دستگاه جوش مقاومتی
• بالاست الکترونیکی
• منبع تغذیه سوئیچینگ
• کوره القائی

مشکلات ناشی از هارمونیک ها

صنایع بسته به نوع، تعداد و مقدار هارمونیک های تولید شده توسط بار، مشکلات خاص خود را دارا هستند. مشکلات عمومی ناشی از هارمونیک ها در شبکه عبارتند از:

• گرم شدن بیش از حد هادی ها
• قوی و ضعیف شدن نور لامپهای فلورسنت
• خرابی خازن ها
• خراب یا گرم شدن بیش از حد ترانسفورماتورها
• چشمک زدن لامپهای گازی
• عمل کردن فیوزهای اتوماتیک
• سوختن فیوز بدون دلیل ظاهری
• خرابی موتورها یا گرم شدن بیش از حد آن ها
• تداخل در ارتباطات راه دور
• تداخل خطوط تلفن
• خرابی دستگاههای اندازه گیری
• گرم شدن بیش از حد کلیدها
• قفل کردن کامپیوترها

امروزه بیشترین دغدغه الکتریکی صنعت، مقابله با هارمونیک ها و تبعات آن است.

خطرات هارمونیک برای خازن ها و راه مقابله با آن

با توجه به رابطه جریان خازن (I_c=2×π×f×C×U_c) مشاهده می شود که در شرایط ولتاژ یکسان، افزایش فرکانس به افزایش جریان خازن منتهی می شود به عنوان مثال چنانچه دامنه ولتاژ هارمونیک پنجم 5% مولفه اصلی ولتاژ باشد، جریانی که در اثر این هارمونیک از خازن کشیده می شود 25% دامنه جریان اصلی است. بنابراین وجود هارمونیک ها در شبکه، صدمه جدی به خازنها وارد می کنند. بهترین راه جلوگیری از آسیب های وارده به خازن در سیستم های هارمونیکی نصب راکتور به طور سری با خازن است.

نصب راکتور بصورت سری با خازن، فرکانس رزونانس هر شاخه خازن را به مقدار دلخواه کاهش می دهد. این فرکانس بسته به هارمونیکها و اندازه آنان، جایی تنظیم میشود که بهترین نوع فیلترینگ صورت پذیرد. ترکیب سلف و خازن در فرکانسهای بالاتر از فرکانس رزونانس (fr) خاصیت سلفی و در فرکانسهای پائین تر، خاصیت خازنی خواهد داشت. بنابراین اصلاح ضریب قدرت در فرکانس اصلی انجام می گیرد بدون آنکه فرکانس های بالاتر مزاحم کار خازن باشد.

انتخاب فرکانس رزونانس سری و ولتاژ خازن در شبکه های مختلف هارمونیکی

در شبکه هایی که THD جریان بیشتر از 10% و یا THD ولتاژ بیشتر از 3% (در حالت بدون خازن) باشد، نصب راکتور ضروری است.

• اگر دامنه هارمونیک سوم جریان بیشتر از 20% هارمونیک پنجم جریان باشد، از راکتورهای هارمونیک سوم (P=14%) استفاده می شود. در غیر این صورت از راکتورهای هارمونیک پنجم (5/67% یا P=7%) استفاده خواهد شد.
• در حالت استفاده از راکتورهای هارمونیک پنجم، اگر THD ولتاژ کمتر از 7% باشد از راکتور 7% و اگر بیشتر از راکتور 5/67% استفاده می شود.
• در حالت نصب خازن بصورت سری با راکتور، ولتاژ اعمالی به خازن برابر خواهد بود با:

.......................

بنابراین باید به این نکته توجه نمود که ولتاژ نامی خازن مورد استفاده در مدارات راکتور دار همیشه بیشتر از ولتاژ نامی شبکه خواهد بود. برای رسیدن به فرکانس تشدید طراحی شده، حتما باید از خازنی استفاده کرد که ظرفیت آن روی راکتور ثبت شده و یا در کاتالوگ آن ذکر شده است.

راکتورهای حذف هارمونیک

امروزه با افزایش سیستم های اتوماسیون در کلیه رشته های تولیدی و خدماتی، استفاده از عناصر نیمه هادی در مدارات کنترل به جای رله ها، افزایش چشمگیری یافته است. عمده ترین مشخصه این قطعات، تغییر شکل موج سینوسی برق شهر و تبدیل آن به موجهایی است که شکل سینوسی نداشته ولی دارای تناوب هستند.

محاسبات ریاضی ثابت کرده که هر موج متناوب از مجموعه ای از امواج سینوسی با فرکانس اصلی موج و مضارب آن تشکیل شده است. موج با فرکانس اصلی را موج اصلی و سایر امواج را با توجه به فرکانس آنها، هارمونیک می نامند. مثلاً هارمونیک سوم، پنجم و ... به عبارت دیگر در یک شبکه با فرکانس 50 هرتز، هارمونیک سوم دارای فرکانس 150 و هارمونیک پنجم فرکانس 250 هرتز خواهد داشت. از آنجا که امپدانس خازن نسبت عکس با فرکانس موج دارد، در هارمونیک ها، امپدانس کمتری داشته و جریان بالاتری از آن می گذرد که باعث خرابی زود هنگام خازن می شود. در شرایطی که فرکانس رزونانس خازن با شبکه، نزدیک به فرکانس یکی از هارمونیکها شود، شرایط بسیار حادتر خواهد بود. به منظور رفع چنین مشکلی از یک راکتور به طور سری با خازن استفاده می شود. ترکیب سری یک راکتور با خازن، فرکانس رزونانس شاخه را به میزان طراحی شده کاهش می دهد و این ترکیب عملا معادل یک فیلتر عمل نموده که در فرکانس های پائین خاصیت خازنی و در فرکانس های بالا خاصیت سلفی دارد.

چنین خاصیتی از خرابی زود هنگام خازن جلوگیری می کند.

مزایای استفاده از راکتورهای حذف هارمونیک

• کاهش اضافه جریان در زمان قطع و وصل بانک خازن
• کاهش اضافه بار خازن در اثر هارمونیک ها
• عمر بیشتر خازن
• کاهش حرارت ایجاد شده در کابلها
• کاهش حرارت ایجاد شده در ترانسفورماتور
• حذف عمل کردن بی مورد مدارهای حفاظتی
• حذف اعوجاج شکل موج ولتاژ

نحوه انتخاب راکتور مناسب

انتخابراکتور حذف هامونیک و مقدار خازن برای کارکرد صحیح سیستم بسیار مهم است. برای نیل به بهترین نتیجه، رعایت موارد زیر ضروری است:

• فرکانس رزونانس سری باید بر مبنای آنالیز هارمونیک سیستم انتخاب شود.
• به خاطر خاصیت سلفی راکتور، ولتاژ دو سر خازن از ولتاژ برق شبکه بیشتر است. انتخاب ولتاژ خازن بر مبنای فرکانس رزونانس صورت می گیرد.
• به دلیل بالاتر بودن ولتاژ خازن از ولتاژ شبکه و خاصیت سلفی راکتور، توان ایجاد شده در شاخه سری با توان خازن متفاوت است. به همین دلیل برای رسیدن به توان دلخواه باید از ظرفیت های اصلاح شده استفاده کرد.
• ولتاژ دو سر خازن برابر خواهد بود با

................................................................

• بعد از انتخاب فرکانس رزونانس، از روی جدول، ظرفیت خازن متناظر استخراج می شود.

مشخصات فنی:

 ..............................................................

نکات مهم در استفاده از راکتورهای حذف هارمونیک:                                                            نقشه های ابعادی:

• خازن و راکتور حتما باید با هم هماهنگ باشند یعنی ظرفیت خازن

دقیقا معادل مقدار ذکر شده در جداول باشد.

• راکتورها حرارت زیادی تولید می کنند به همین منظور سعی شود تا در

ارتفاع بالاتر از خازنها قرار گرفته و تهویه مناسب برای آن ها در نظر گرفته شود.

• بین راکتورها و بدنه تابلو و همچنین بین دو راکتور، حداقل فاصله ای بین 5 تا 7

سانتی متر در نظر گرفته شود.

جداول مشخصات راکتورهای حذف هارمونیک