اثر هارمونیك ها بر خازن ها

[setiya 12665]

مقدمه

 

درسالهای اولیه هارمونیكها در صنایع چندان رایج نبودند.به خاطر مصرف كننده های خطی متعادل. مانند : موتورهای القایی سه فاز،گرم كنندها وروشن كننده های ملتهب شونده تا درجه سفیدی و ..... این بارهای خطی جریان سینوسی ای در فركانسی برابر با فركانس ولتاژ می كشند. بنابراین با این تجهیزات اداره كل سیستم نسبتا با سلامتی بیشتری همراه بود. ولی پیشرفت سریع در الكترونیك صنعتی در كاربری صنعتی سبب بوجود آمدن بارهای غیر خطی صنعتی شد. در ساده ترین حالت ، بارهای غیرخطی شكل موج بار غیر سینوسی از شكل موج ولتاژ سینوسی رسم می كنند (شكل موج جریان غیر سینوسی).

پدیدآورنده های اصلی بارهای غیر خطی درایوهای ac / dc ، نرم راه اندازها ، یكسوسازهای 6 / 12 فاز و ... می باشند. بارهای غیرخطی شكل موج جریان را تخریب می كنند. در عوض این شكل موج جریان شكل موج ولتاژ را تخریب می نماید. بنابراین سامانه به سمت تخریب شكل موج در هر دوی ولتاژ و جریان می شود. در این مقاله سعی شده است تا بزبانی هرچه ساده تر توضیحی در مورد نحوه عملكرد هارمونیك ها و راه كاری برای دوری از تاثیر گذاری آنها بر خازنها ی نیرو ارائه شود.

[setiya 12665]

اساس هارمونیك ها :

 

اصولا هارمونیك ها آلوده سازی شكل موج را در اشكال سینوسی آنها نشان می دهند. ولی فقط در مضارب فركانس اصلی . تخریب شكل موج را می توان در فركانس های مختلف (مضارب فركانس اصلی) بعنوان یك نوسان دوره ای بوسیله آنالیز فوریه تجزیه و تحلیل كرد. در حال حاضر هارمونیكهای فرد و زوج و مرتبه 3 در اندازه های مختلف ضرایب فركانس های مختلف در سامانه های الكتریكی موجودند كه مستقیما تجهیزات سامانه الكتریكی را متاثر می سازند. در معنایی وسیعتر هارمونیكهای زوج و مرتبه 3 هریك تلاش می كنند كه دیگری را خنثی نمایند. ولی در مدت زمانی كه بار نا متعادل است این هارمونیك های زوج و مرتبه 3 منجر به اضافه بار در نول و اتلاف انرژی شدید می شوند. با تمام احوال هارمونیك های فرد اول مانند هارمونیك پنجم ، هفتم ، یازدهم ، سیزدهم و .... عملكرد این تجهیزات الكتریكی را تحت تاثیر قرار می دهند. برای فهم بهتر تاثیر هارمونیك ها ، شكل زیر تاثیر تخریب هارمونیك پنجم بر شكل موج سینوسی را نشان می دهد :

 

 

 

هارمونیك های ولتاژ و جریان تاثیرات متفاوتی بر تجهیزات الكتریكی دارند. ولی عموما بیشتر تجهیزات الكتریكی به هارمونیكهای ولتاژ بسیار حساس اند. تجهیزات اصلی نیرو مانند موتورها، خازن ها و غیره بوسیله هارمونیكهای ولتاژ متاثر می شوند. به طور عمده هارمونیكهای جریان موجب تداخل مغناطیسی (Magnetic Interfrence) و همچنین موجب افزایش اتلاف در شبكه های توزیع می شوند. هارمونیكهای جریان وابسته به بار اند ، در حالی كه سطح هارمونیكهای ولتاژ به پایداری سامانه تغذیه و هارمونیكهای بار (هارمونیكهای جریان) بستگی دارد. عموما هارمونیك های ولتاژ از هارمونیك های جریان كمتر خواهند بود.

 

[setiya 12665]

تشدید:

 

اساسا تشدید سلفی – خازنی در همه انواع بارها مشاهده می شود. ولی اگر هارمونیك ها در شبكه توضیع شایع نباشند تاثیر تشدید فرونشانده می شود.

در هر تركیب سلفی – خازنی چه در حالت سری و چه در حالت موازی ، در فركانسی خاص تشدید رخ می دهد كه این فركانس خاص فركانس تشدید نامیده می شود. فركانس تشدید فركانسی است كه در آن رآكتنس خازنی (Xc) و رآكتنس القایی (XL) برابر هستند.

برای تركیبی مثالی برای بار صنعتی كه شامل اندوكتانس بار و یا رآكتنس ترانسفورماتور كه بعنوان XL عمل می كند و رآكتنس خازن تصحیح ضریب توان كه بصورت Xc خودنمایی می كند فركانس تشدیدی برابر با LC خواهیم داشت . رآكتنس خازنی متناسب با فركانس كاهش می یابد (توجه : Xc با فركانس نسبت عكس دارد). در حای كه رآكتنس القایی متناسب با آن افزایش می یابد (توجه

: XL با فركانس نسبت مستقیم دارد).این فركانس تشدید به سبب متغیر بودن الگوی بار متغیر خواهد بود. این مساله برای ظرفیت خازنی ثابت كل برای اصلاح ضریب توان پیچیده تر است. برای درك صحیح این پدیده لازم است دو نوع وضعیت تشدید شامل حالت تشدید سری و حالت تشدید موازی مورد توجه قرار گیرند. این دو امكان در زیر توضیح داده می شوند.

[setiya 12665]

تشدید سری:

یك تركیب سری رآكتنس سلفی – خازنی ، مدار تشدید سری شكل می دهد كه در شكل زیر نشان داده شده است.

 

 

به خاطر تركیب سری سلف و خازن ، در فركانس تشدید امپدانس كل به پایین ترین سطح كاهش می یابد و این امپدانس در فركانس تشدید طبیعتی مقاومتی دارد. بنا براین در فركانس تشدید رآكتنس خازنی و رآكتنس سلفی (القایی) برابر هستند.این امپدانس پایین برای توان ورودی در فركانس تشدید ، افزایش توانی جریان را نتیجه می دهد.شكل داده شده زیر رفتار امپدانس خالص در وضعیت تشدید سری را نشان می دهد.

 

 

 

 

در كاربری صنعتی رآكتنس ترانسفورماتور قدرت به علاوه خازنهای اصلاح ضریب توان در سمت ولتاژ پایین به عنوان یك مدار تشدید موازی برای سمت ولتاژ بالای ترانسفورماتور عمل می كند. اگر این فركانس تشدید تركیب سلف و خازن بر فركانس هارمونیك شایع در صنعت منطبق شود ، بخاطر بستری با امپدانس پایین ارائه شده توسط خازن ها برای هارمونیك ها ، منجر به افزایش توانی جریان خازن ها خواهد شد. از این رو خازن های ولتاژ پایین در سطحی بسیار بالا اضافه بار پیدا خواهند كرد كه همچنین این عمل موجب تحمیل بار اضافی بر ترانسفورماتور می شود. این پدیده منجر به تخریب ولتاژ در شبكه ولتاژ پایین می شود.

[setiya 12665]

تشدید موازی:

 

یك تشدید موازی تركیبی از رآكتنس خازنی و القایی است كه در شكل زیر نمایش داده شده است.

 

 

در اینجا رفتار امپدانس برعكس حالت تشدید موازی خواهد بود كه در شكل داده شده در زیر ، نشان داده شده است.در فركانس تشدید امپدانس منتجه مدار به مقداری بالا افزایش می یابد. این ، منجر به بوجود آمدن مدار تشدید موازی میان خازن های اصلاح ضریب توان و اندوكتانس بار می شود كه نتیجه آن عبور ولتاژ بسیار بالا هم اندازه امپدانس ها و جریان های گردابی بسیار بالا درون حلقه خواهد بود.

 

 

 

 

در كاربری صنعتی خازن اصلاح ضریب توان مدار تشدید موازی با اندوكتانس بار تشكیل می دهد.هارمونیك های تولید شده از سمت بار رآكتنس شبكه را افزایش می دهند. كه موجب بلوكه شدن هارمونیك های سمت تغذیه می شود.این منجر به تشدید موازی اندوكتانس بار و اندوكتانس خازنی می شود. مدار LC (سلفی – خازنی) مواز ی ، شروع به تشدید میان آنها می كند كه منجر به ولتاژ بسیار بالا و جریان گردابی بسیار بالا در درون حلقه مدار سلف – خازن (LC) می شود. نتیجه این امر آسیب به تمام سمت ولتاژ پایین سامانه الكتریكی است.

ایزوله كردن تشدید موازی از ایزولاسیون تشدید سری نسبتا پیچیده تر است.اساسا این امر بخاطر تنوع بار صنعتی از زمانی به زمان دیگر است كه موجب تغییر فركانس تشدید می شود. شكل زیر تاثیر ظرفیت خازنی ثابت و اندوكتانس متغیر را نشان می دهد.

 

 

 

این تغییر مداوم فركانس تشدید ممكن است موجب تطبیق فركانس تشدید بر فركانس هارمونیك شود كه ممكن است منتج به ولتاژ بالا و جریان بالا كه سبب نقص و خرابی تجهیزات الكتریكی می شوند ، گردد.بنا بر این در هر دو تشدید موازی و سری خازنهای قدرت متاثر هستند كه بكار گیری دستگاه های حفاظتی و ایمنی را برای خازنها ایجاب می نماید. این امر درك صحیح بر خازنهای قدرت را قبل از از اعمال تصحیح بخاطر تاثیر هارمونیك ها و تشدید ایجاب می نماید.

[setiya 12665]

خازنهای قدرت:

 

خازنهای اصلاح ضریب توان نسبت به هارمونیك ها حساس اند و بیشتر عیوب خازنهای قدرت ، عیوبی با طبیعت زیر را نشان می دهند :

هارمونیك ها – هارمونیك های پنجم ، هفتم ، یازدهم ، سیزدهم و ...

تشدید

اضافه ولتاژ

امواج كلید زنی

جریان هجومی

ولتاژ آنی بازگیری جرقه

تخلیه / بازبست ولتاژ

 

بسته به طراحی ساختاری اساسی ، حدود پایداری در مقابل اضافه ولتاژ ، اضافه جریان و هارمونیكها برای دور كردن خازن از خرابی بسیار مهم است.

اساسا خازن ها امواج كلید زنی تولید می كنند كه عموما به عنوان جریان هجومی و اضافه ولتاژ آنی دسته بندی می شوند.

جریان هجومی پدیده ای است كه هنگام به مدار وصل كردن خازن ها رخ می دهد. امپدانس ارائه شده توسط خازن طبیعتا بسیار كم و مقاومتی است. این امر منجر به جریان هجومی به بزرگی 50 تا 100 برابر جریان اسمی می شود كه از خازن عبور می كند ، اما چرا از خازن؟ زیرا امپدانس ترانسفورماتور در زمان روشن كردن خازن ها فقط در مقابل شار جریان مقاومت می كند.

این امر هنگامی پیچیده تر می گردد كه در تركیب موازی بانك خازنی ممكن است جریان هجومی كلید زنی به سطحی بالاتر از 200 تا 300 برابر جریان اسمی برسد. این جریان هجومی نتیجه تخلیه خازن های از پیش شارژ شده موازی با آن می باشد. در زیر این مطلب نشان داده شده است.نوعا جریان هجومی علاوه بر تخریب در شكل موج جریان سبب تخریب در شكل موج ولتاژ می شود.

 

 

در هنگام خاموش كردن (از مدار خارج كردن) خازن ها ، بسته به شارژ ذخیره شده در آن ، اضافه ولتاژ ناگهانی بالاتری در زمان خاموش كردن خازن ها بوجود خواهد آمد كه ممكن است موجب پدید آمدن جرقه در پایه ها شود.

هنگامی كه خازن خاموش می شود شار الكتریكی در خود نگه می دارد و بوسیله مقاومتهای تخلیه ، تخلیه (Discharge) می شود. مدت زمان تخلیه عموما بین 30 تا 60 ثانیه می باشد. تا زمانی كه تخلیه بشكل موثری صورت نگرفته نمی توان خازنها را به مدار باز گرداند. هرگونه بازبست خازن قبل از تخلیه كامل دوباره موجب افزایش جریان هجومی می شود.

 

علاوه بر دستگاه های مسدود كننده هارمونیك ها كه با صحت خازن ها نسبت مستقیم دارند ، و در سر خط بعدی تشریح می شوند ، دستگاه های تحلیل برنده امواج كلید زنی مثل جریان هجومی ، اضافه ولتاژ آنی و غیره نیاز دارند كه بطور دقیق تعریف و بررسی شوند.

 

دستگاه های مسدود كننده هارمونیك ها:

برای كاربری سالم خازن ها لازم است كه فركانس تشدید مدار LC (سلف – خازن) كه شامل ادوكتانس بار و خازنهای اصلاح ضریب توان می شود ، به فركانسی دور از كمترین فركانس هارمونیك تغییر داده شود. برای مثال هارمونیك هایی كه در سامانه تولید می شوند و خازن های قدرت را متاثر می سازند ، هارمونیك های پنجم ، هفتم ، یازدهم ، سیزدهم و غیره هستند. پایین ترین هارمونیكی كه بر خازن ها تاثیر می گذارد هارمونیك پنجم است كه در فركانس 250 هرتز دیده می شود. اساسا اگر خازن ها با سلف ها موازی شده باشند ، انتخاب مقدار اندوكتانس به شكل زیر است :

تركیب سری LC (سلف – خازن) در فركانسی زیر 250هرتز تشدید می كند . بنابراین در همه فركانس های هارمونیك ها تركیب سری سلف و خازن مانند یك تركیب سلفی عمل خواهد كرد و امكان تشدید برای هارمونیك پنجم یا هر هارمونیك بالاتری از بین می رود. شكل زیر نامیزان سازی (De – Tuning) خازن ها را نشان می دهد.

 

 

این تركیب سلف و خازن كه در آن فركانس تشدید در فركانسی دور از فركانس هارمونیك تنظیم شده است ، مدار LC (سلف – خازن) نامیزان شده

(De-Tuned) نام دارد. ضریب نا میزان سازی نسبت رآكتنس به طرفیت خازنی است. در مدار خازنی نامیزان شده ، اساسا سلف مانند دستگاه مسدود كننده هارمونیك ها عمل می كند. برای خازن ها ضریب مناسب نامیزان سازی حدود % 7 است كه فركانس تشدید را در 189 هرتز تنظیم می كند.

اما ، نامیزان سازی % 5.67 همچنین در جایی استفاده می شود كه فركانس تشدیدی معادل 210 هرتز دارد . هر دو درجه نامیزان سازی ، مسدود كردن (بلوكه كردن) هارمونیك ها از خازن ها را تضمین می كنند. شكل زیر درجه نامیزان سازی را نمایش می دهد.

 

 

[setiya 12665]

 

بانك های نامیزان سازی خازن:

 

بانك های نامیزان سازی خازن نیازمند آن هستندكه با نكات اساسی زیر مشخص شوند :

انتخاب درجه نامیزان سازی

محاسبه خازن كل خروجی مورد نیاز

محاسبه افزایش ولتاژ بوسیله سلف های سری

درجه نامیزان سازی مطلوب بر پایه هارمونیك موجود است. لازم است كه هارمونیك های سمت بار اندازه گیری شوند تا در درجه نامیزان تصمیم گیری شود.

*

خروجی خازن و سطح ولتاژ نیاز به انتخاب صحیح بر اساس درجه نامیزان سازی دارند. برای مثال برای %7 نامیزان سازی برای رسیدن به 200 كیلو ولت آمپر رآكتیو خروجی (kvar) در 400 ولت ، نیاز به آن داریم كه خازن 240 kvar خروجی با ولتاژ 400 ولت انتخاب نماییم. این بدلیل افزایش ولتاژ بوسیله اندوكتانس سری است. مشابها برای رسیدن به 200 kvar خروجی در ولتاژ 440 ولت به خازن های 240 kvar خروجی 480 ولتی نیاز است.

محاسبه افزایش ولتاژ به سبب رآكتنس سری ، بر اساس نامیزان سازی است و به روش زیر انجام می گیرد :

( درجه نامیزان سازی – 1) / (ولتاژ نرمال مجاز) = ولتاژ خازن

[setiya 12665]

سامانه خازنی ایده آل:

 

برای تصحیح ضریب توان در بار صنعتی كنونی كه شامل هارمونیك ها و تشدید می شود ، یك سامانه اتصال خازنی اساسا باید خصوصیات زیر را دارا باشد :

ظرفیت خازنی متغیر بر اساس توان رآكتیو برای دوری از تغییر فركانس تشدید. این امر انتخاب صحیح پنل های APFC را ممكن می سازد. پنل APFC باید خصوصیات زیر را داشته باشد.

حسگرها باید به طور مداوم سطح هارمونیك های ولتاژ را نمایش دهد و خازن ها را تحت زیر سطوح بالاتر هارمونیك ها محافظت نماید.

انتخاب محدوده هارمونیك های پنجم ، هفتم ، یازدهم ، سیزدهم و همچنین شناخت تخریب همه هارمونیك ها برای تنظیم حدود ایمن و همچنین پیش بینی تغییرات بعدی هارمونیك ها.

مونیتورینگ جریان RMS برای محافظت خازن ها تحت هر حالت تشدید.

كنترل مشخصات ، برای دوری از بكارگیری ظرفیت مازاد خازنی تحت حالت كم بار.

انتخاب خازن با عمر بالا و با تضمین مشخصات زیر :

ظرفیت اضافه بار : حداقل دو برابر جریان اسمی به طور مداوم و 350 برابر آن هنگام جریان هجومی.

قابلیت پایداری در مقابل اضافه ولتاژ :بیشتر از %10 و بالاتر از ولتاژ مجاز بصورت پیوسته.

قابلیت پایداری در مقابل هارمونیك ها : تضمین محدوده های هارمونیك های پنجم ، هفتم ، یازدهم ، سیزدهم و همچنین برای محدوده های THD.

مدار سلفی De – Tuned برای مسدود كردن هارمونیك ها (الگوی هارمونیك بار باید قبل از تعیین درجه نامیزان سازی (De – Tuning) اندازه گیری شود).

انتخاب سطح خازن و سطح ولتاژ براساس درجه نامیزان سازی.

دستگاه های كلیدزنی با تقلیل دهنده های داخلی برای تقلیل امواج كلید زنی برای خازن های قدرت.

اساسا این خصوصیات با مطالعه متناسب هارمونیك های ولتاژ بار همراه است كه تضمین می كند كه تاثیر مخرب هارمونیك ها و تشدید از خازن ها دور شود كه بدین وسیله عمر خازن ها و كارایی كل سامانه الكتریكی را افزایش می دهد.

[setiya 12665]

نتیجه گیری

 

علم به شرایط و خصوصیات خازن ها و عوامل موثر بر آنها از جمله هارمونیك ها نه تنها موجب افزایش امنیت و سلامتی و طول عمر آنها خواهد شد بلكه سبب كاهش هزینه های پیش بینی شده و نشده در بكار گیری انرژی الكتریكی می شود.

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام