هارمونیک و اثرات آن بر خازن

[علیرضا پورحبیب]

کیفیت برق برای شرکت ها و مصرف کنندگان انرژی الکتریکی از اهمیت خاصی برخوردار است. لوازمی همچون کامپیوترها، لوازم الکتریکی و دستگاه های صنعتی قابل برنامه ریزی و کنترل کننده ها، نسبت به اغتشاش در برق بسیار حساسند.

از سوی دیگر، استفاده از لوازم تولید کننده اغتشاش در سیستم قدرت مانند منابع الکترونیک قدرت و کنترل دور موتورها روند رو به افزایشی یافته است. هارمونیک ها آلوده سازی شکل موج را در اشکال سینوسی آن ها نشان می دهند.

ولی فقط در مضارب فرکانس اصلی تخریب شکل موج را می توان در فرکانس های مختلف (مضارب فرکانس اصلی) بعنوان یک نوسان دوره ای به وسیله آنالیز فوریه تجزیه و تحلیل کرد.

در حال حاضر هارمونیکهای فرد و زوج و مرتبۀ ۳ در اندازه های مختلف ضرایب فرکانس‌های مختلف در سامان‌های الکتریکی موجودند که مستقیماً تجهیزات سامانه الکتریکی را متأثر می سازند. در معنایی وسیعتر هارمونیک‌های زوج و مرتبه ۳ هریک تلاش می کنند که دیگری را خنثی نمایند.

ولی در مدت زمانی که بار نامتعادل است این هارمونیک‌های فرد اول مانند هارمونیک‌های زوج و مرتبۀ ۳ منجر به اضافه بار در نول و اتلاف انرژی شدید می شوند. با تمام احوال هارمونیک‌های فرد اول مانند هارمونیک پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و … عملکرد این تجهیزات الکتریکی را تحت تاثیر قرار دهند.

به دلیل افزایش اعوجاجهای هارمونیکی در شبکه های فشار ضعیف و متوسط، طراحی بانک های خازنی بسیار مشکل و پیچیده است.

یکسو سازها، کنترلرهای الکترونیکی موتورها، مبدلهای فرکانس و دیگر بارهای الکترونیکی برای جبران توان راکتیو مصرفی، نیاز به خازن دارند و در عین حال این مصرف کننده ها مولد هارمونیک هستند. در صورت نزدیک بودن فرکانس رزونانس مجموعه ترانس و خازن به فرکانس هارمونیک‌ها، امکان وقوع خطر بسیار محتمل است. بارهای غیرخطی باعث ایجاد هارمونیک‌های ناخواسته در شبکه می گردد که موجب اشکالات زیر می شود:

[list]

[*]عدم تقارن

[*]اعوجاج در ولتاژ

[*]خطا در ارتباطات

[*]کاهش ضریب توان

[*]خطای اندازه گیری

[*]کاهش توان موتورها

[*]تشدید سری و موازی

[*]خطا در انتخاب کابل قدرت

[*]افزایش درجه حرارت و  اضافه بار در ترانسفورمرها
بارهایی که به صورت غیر خطی از مدار جریان دریافت می کند معمولاً مولد هارمونیک‌ها هستند تعدادی از این ادوات عبارتند از:   ۱- منابع تغذیه UPS   ۲- منابع تغذیه تلویزیون و کامپیوتر   ۳- درایوهای موتورهای القایی که جهت تغییر دور موتور به کار می روندبانک‌های خازنی تزریق شده به شبکه به همراه اندوکتانس های موجود در شبکه تشکیل بک مدار رزونانسی می دهند در هنگام تشدید، جریان مؤثر واحدهای خازنی به شدت افزایش می یابد که باید با نصب فیلترهای مناسب حفاظت گردند هارمونیک های ولتاژ و جریان تاثیرات متفاوتی بر تجهیزات الکتریکی دارند. خازن های قدرت هم در هارمونیک ها ولتاژی و هم در هارمونیک های جریانی آسیب پذیرند به طور عمده هارمونیک های جریان موجب تداخل مغناطیسی و همچنین موجب افزایش اتلاف در شبکه های توزیع می شوند.هارمونیک های جریان وابسته به باراند، در حالی که سطح هارمونیک‌های ولتاژ به پایداری سامانه تغذیه و هارمونیک های بار (هارمونیک های جریان) بستگی دارد.عموماً هارمونیک‌های ولتاژ از هارمونیک‌های جریان کمتر خواهند بود. تشدید سلفی- خازنی در همه انواع بارها مشاهده می شود. ولی اگر هارمونیک‌ها در شبکه توزیع نباشند تاثیر تشدید کمتر می شود.در هر ترکیب سلفی-خازنی در حالت سری یا در حالت موازی، در فرکانسی خاصی تشدید رخ می دهد که این فرکانس خاص فرکانس تشدید نامیده می شود. فرکانس تشدید فرکانسی است که در آن راکتنس خازنی (XC) و راکتنس القایی (XL) برابر هستند.برای بارهای که شامل اندوکتانس بار و یا راکتنس ترانسفورماتور هستند که با XL  نشان داده می شود و راکتنس خازن تصحیح ضریب توان که به صورت XC نشان داده می شود فرکانس تشدیدی برابر با LC خواهیم داشت. راکتنس خازنی متناسب با فرکانس کاهش می یابد چون XC با فرکانس نسبت عکس دارد.ولی راکتنس خازنی متناسب با فرکانس افزایش می یابد چون 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 که برای اصلاح ضریب توان در نظر گرفته شده پیچیده تر است.حداکثر هارمونیک های کلی ولتاژ از ۴۰۰ ولت تا ۳۳ کیلوولت ۵ درصد است و برای مرتبه های زوج ۱٫۵ درصد برای مراتب فرد ۳ درصد است اما باید توجه داشت برای خازن ها حداکثر هارمونیک کلی ولتاژ برای عدم استفاده از فیلتر ۳ درصد باید باشد.[list]

[*]مسدود کنندۀ هارمونیک ها
[/list][*]
برای کاربری سالم خازن ها لازم است که فرکانس تشدید مدار LC (سلف-خازن) که شامل اندوکتانس بار و خازن های اصلاح ضریب توان می شود، به فرکانسی دور از کمترین فرکانس هارمونیک تغییر داده شود.برای مثال هارمونیک هایی که در سامانه تولید می شوند و خازن های قدرت را متأثر می سازند، هارمونیک های پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم و غیره هستند. پایین ترین هارمونیکی که بر خازن ها تاثیر می گذارد هارمونیک پنجم است که در فرکانس ۲۵۰ هرتز دیده می شود.ترکیب سری  LC(سلف-خازن) در فرکانسی زیر ۲۵۰ هرتز تشدید می کند. 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 می رود.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 نامیزان سازی نسبت راکتنس به ظرفیت خازنی است. در مدار خازنی نامیزان شده، اساساً سلف مانند دستگاه مسدود کننده هارمونیک‌ها عمل می کند. برای خازن‌ها ضریب مناسب نامیزان سازی حدود ۷ درصد است که فرکانس تشدید را در ۱۸۹ هرتز تنظیم می کند.نامیزان ساز ی ۶۷،۵ درصد همچنین در جایی استفاده می شود که فرکانس تشدیدی معادل ۲۱۰ هرتز دارد. نامیزان سازی ۱۴ درصد فرکانس تشدیدی معادل ۱۳۴ هرتز دارد. (در فرکانس ۵۰ هرتز) این مقدار نامیزان سازی برای حذف هارمونیک سوم نیز موثر است.هر سه درجه نامیزان سازی، مسدود کردن (بلوکه کردن) هارمونیک‌ها از خازن ها را تضمین می کنند. در هنگام طراحی بانک های نامیزان سازی خازن نیازمند آن هستند که با نکات اساسی زیر مشخص شوند:۱- محاسبه خازن کل خروجی مورد نیاز۲- انتخاب درجه نامیزان سازی (۵٫۶۷ درصد -۷ درصد  -۱۴ درصد)۳- محاسبه افزایش ولتاژ به وسیله سلف های سری که در انتخاب ولتاژ خازن مورد استفاده بسیار موثر است.(درجه نامیزان سازی-۱) / (ولتاژ شبکه) = ولتاژ خازن انتخابی درجه نامیزان سازی مطلوب بر پایه هارمونیک موجود است.لازم است که هارمونیک های سمت بار اندازه گیری شوند تا در درجه نامیزان  تصمیم گیری شود.Fr = Fn√۱/p  در فرمول های فوق Fr فرکانس رزونانس، Fn فرکانس شبکه و P درصد نامیزان سازیشایان ذکر طراحی بانک های خازنی فیلتر دار کاری تخصصی می باشد و بهتر است با مشاورین کیفیت توان این کار صورت گیرد. [/list]