۰.۸
۰.۷
۰.۶
۲-۲-۲- هارمونیک ها و فیلترهای هارمونیکی
یکی از مشکلات کیفیت برق در سیستم های الکتریکی هارمونیکها می باشد. اعوجاجهای هارمونیکی باعث بروز مشکلات خاصی در شبکه می شوند از جمله می توان به عملکرد نامناسب تجهیزات و نیز کاهش عمر و پایین آمدن راندمان اشاره نمود. محدود نمودن هارمونیکها هم از دید شرکت برق هم از دید مشترکین لازم است شرکت های برق باید جهت جلوگیری از آسیب دیدن تجهیزات مشترکین محدود نمایی ایجاد کنند تا از آسیب زدن به تجهیزات خانگی و صنعتی جلوگیری شود. از طرف دیگر با توجه به اینکه ایجاد یک موج کاملا سینوسی از طرف شرکت برق نمی تواند تضمین شود لذا مشترکین باید اعوجاجهای هارمونیکی تولید شده توسط تجهیزات خود را محدود نمایند. شرکتهای برق فرض می کنند که موج ولتاژ سینوسی تولید شده بدون هارمونیک است. بهر حال هر چه به سمت مشترکین نزدیکتر شویم میزان اعوجاج هارمونیکی بیشتر می شود که این نشانگر این است که بعضی از بارها شکل موج جریان را از حالت سینوسی خارج نموده و دارای اعوجاج می‌کنند . در برخی موارد اعوجاج در سیستم به صورت تصادفی است ولی اغلب به صورت پریودیک می‌باشد بدین معنی که سیکلهای متوالی شبیه به هم بوده واین مفهوم هارمونیک است (An lou et al,2009 ).
هارمونیکها در حالت ماندگار در سیستم ناشی از عملکرد پیوسته بار اتفاق می‌افتند و مضرب صحیحی از فرکانس مولفه اصلی هستند.
اعوجاج هارمونیکی در سیستم قدرت ناشی از عناصر غیر خطی است عنصر غیر خطی عنصری است که جریا آن متناسب با ولتاژ اعمالی نمی باشد هر شکل موج اعوجاجی پریودیک را می توان به صورت جمع مولفه های سینوسی بیان کرد این موجهای سینوسی که فرکانس آنها مضرب صحیحی از فرکانس اصلی است را فرکانس هارمونیکهای مولفه اصلی می نامند جمع این سینوسی ها به سری فوریه معروف است.
وقتی که دو نیم سیکل مثبت و منفی یک موج شبیه هم هستند سری فوریه فقط شامل هارمونیکهای فرد است . بارهای غیر خطی منبع تولید هارمونیکهای جریان هستند و باعث تزریق این هارمونیکها به شبکه قدرت می شوند در حالیکه هارمونیکهای جریان ایجاد شده توسط بار در نهایت باعث اعوجاج ولتاژ می گردند و مقدار هارمونیک جریان تزریق شده به سیستم می بایستی در نقطه اتصال مشترک به شبکه کنترل گردد.
چندین معیار برای نشان دادن مقادیر هارمونیکهای یک موج وجود دارد از معروف ترین آنها می توان اعوجاج هار مونیکی کل () را برای ولتاژ و جریان محاسبه نمود که در آن مقدار موثر هارمونیک ام کمیت می باشد(حسینیان، ۱۳۸۳).
کمیتی مفید برای بسیاری ازز کاربردها می باشد ولی دارای محدودیتهایی است این کمیت می تواند بصورت نسبت هارمونیکها به مولفه اصلی بیان می شود که اگر مولفه اصلی نداشته باشیم بینهایت می شود این شرایط زمانی به وجود می آیند که ولتاژ و جریان با فرکانس نامی شبکه به صورت الکترونیکی یا توسط کلید زنی مدوله می شوند . برای جلوگیری از این مشکل شاخص اعوجاج هامونیکی () بصورت زیر تعریف می شود(حسینیان، ۱۳۸۳).
که دو شاخص و بصورت زیر با یکدیگر مرتبط می شوند.
در صورتی که اعوجاج کم باشد و برابر هستند.
از عوامل تولید هارمونیک می‌توان موارد زیر را نام برد:
- تولید موج غیر سینوسی توسط ماشینهای سنکرون ناشی از وجود شیارها و عدم توزیع یکنواخت سیم پیچی استاتور
- عدم یکنواختی در رلوکتانس ماشینهای سنکرون
- توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیس در ماشینهای سنکرون
- جریان مغناطیسی ترانسفورماتورها
- بارهای غیر خطی مانند دستگاه های جوشکاری
- کوره های قوس الکتریکی و القائی
- عناصر نیمه هادی و تجهیزات مرتبط با آنها (درایو،SVC و . . .)
که در شرکتهای فولاد می توان به وجود کوره قوس الکتریکی و SVC به عنوان بزرگترین منبع تولید هارمونیک نام برد. مشخصه ولتاژ - جریان کوره های قوس الکتریکی غیر خطی می‌باشد. بر اثر آرک جریان قوس افزایش و در نتیجه ولتاژ آن کاهش می یابد که مقدار جریان توسط امپدانس کابلها ، امپدانس سیستم، امپدانس ترانس و راکتور ( در صورت وجود) محدود می شود و در چنین حالتی قوس برای بخشی از سیکل کاری خود به صورت یک مقاومت منفی ظاهر می شود(جی میلر تی، ۱۳۷۲).
آثار هارمونیکها بر روی سیستم قدرت و تجهیزات آن به قرار زیر است:
- شکست عایقی بانکهای خازنی و افزایش جریان وتوان راکتیو بانکهای خازنی
- تداخل در سیستم های کنترل کلید زنی و اندازه گیری
- تلفات اهمی و تلفات هسته بیشتر و ایجاد حرارت در ماشینهای الکتریکی
- شکست عایقی کابلها
- تداخل سیستم های مخابراتی و PLC
- ایجاد خطا در دستگاه های اندازه گیری
- ایجاد نوسانات مکانیکی
- عدم عملکرد مناسب سیستم های کنترل
- عملکرد نا مناسب و پاسخ اشتباه رله ها
- عملکرد نا مناسب مدارات آتش سیستم های الکترونیک قدرت
یکی از کمیتهای مورد استفاده در تحلیل هارمونیکی امپدانس اتصال کوتاه نقطه ای از شبکه که در آن خازن نصب شده است می باشد مقدار امپدانس اتصال کوتاه از رابطه زیر بدست می‌آید (حسینیان، ۱۳۸۳).
یک کمیت فازوری است که معمولا بصورت راکتیو فرض می شود. راکتانس به صورت خطی با فرکانس تغییر می کند. راکتانس هارمونیک hام را می توان از راکتانس مولفه اصلی یعنی بدست آورد
از راه های از بین بردن هارمونیکها را می توان اتصال به یک منبع بزرگتر و فیلتر گذاری را نام برد که فیلترهای موازی با اتصال کوتاه کردن جریان هارمونیکی تا حد امکان اعوجاج را کاهش می دهند. که می توان به فیلترهای غیر فعال و فعال اشاره نمود.
فیلترهای غیر فعال از مقاومت، خازن و اندوکتانس ساخته می شوند که دارای دو نوع است نوع اول جریان هامونیکی را جذب و از شبکه خارج میکند و نوع دوم با تنظیم عناصرش به منظور ایجاد تشدید در یک فرکانس هارمونیک مشخص از عبور جریان هارمونیکی به دیگر بخشها جلوگیری می کند شکل زیر چند نوع از این فیلترها را نشان می دهد(سی دوگان و همکاران، ۱۳۷۸).
شکل ۲-۲: آرایش انواع فیلترهای غیر فعال
فیلترهای غیر فعال معمولا بر روی شینه جایی که آن ثابت باشد قرار می گیرد.
فیلترهای فعال از تجهیزات الکترونیک قدرت می باشد این گونه تجهیزات در شرایطی که فیلترهای غیر فعال موفق نباشند استفاده می گردند اینگونه تجهیزات می توانند در یک زمان بیش از یک هارمونیک را کنترل نمایند و به صورت خاص برای بارهای بزرگ و اعوجاج زا استفاده می شوند.
