X
تبلیغات
سایت تخصصی مهندسی برق-قدرت

سایت تخصصی مهندسی برق-قدرت

این وبلاگ شامل تمامی مقلات علمی جزوات مربوط به دروس پایه وتخصصی برق می باشد

+ نوشته شده در  شنبه بیست و هفتم آبان 1391ساعت 5:3 PM  توسط مهدی منصوری  | 

   چکیده

 

   پروژه حاضر به بررسی اثر هارمونیکها بر موتورهای القایی سه فاز می پردازد.

   در فصل اول ابتدا سری های فوریه که در آنالیزها ی ها رمونیک ها ابزاری نیرومند هستند به طور مختصر مرور شده اند و سپس منابع تومید هارمونیکها و در انتهای فصل اثرات هارمونیکها بر تجهیزات مورد بحث قرار گرفته است.

   در فصل دوم اثرات هارمونیکها بر ماشینهای ACسه فاز مورد تجزیه و تحلیل قرار کرفته و تلفات ناشی از هارمونیکها که موجب ایجاد مشکلات حرارتی می شوند و مسائلی در اتباط با گشتاور مطرح شده است.همچنین مدار معادل موتور ACبرای جریانهای جریانهای هارمونیک به دست آمده و تا ثیرشان در راندمان مورد بررسی قرار گرفته است.

   فصل سوم به معرفی فیلترهایی برای تعدیل خروجی یکسو سازها جهت کاهش اثرات نا مطلوب هارمونیکها در سیستمهای قدرت پرداخته است که می تواند در طراحی و تولید ماشینهای ACسه فاز موثر باشند.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست                                                                                                    صفحه

عنوان                                                                                                

فصل اول

مقدمه

سریهای فوریه

منابع هارمونیکها

اثرات هارمونیکها بر تجهیزات

اثرات هارمونیکها بر خازنها

اثر هارمونیکها بر لامپهای روشنایی و المانهای حرارتی

اثر هارمونیکها بر کلیدها

اثر هارمونیکها بر عایقها

اثر هارمونیکها بر فیوزها

اثر هارمونیکها بر سیستمهای مخابراتی

فصل دوم (ماشینهای ACچند فازه )

مقدمه

مدار معادل موتورالقایی

معادل گشتاور

پخش توان در روتور

دیاگرام فازوری

هارمونیکهای mmfشکاف هوایی 

موجهای mmfزمانی هارمونیکها

موجهای mmfمکانی هارمونیکها

دامنه هارمونیکهای mmf

هارمونیکهای مولفه های مثبت منفی و صفر

رفتار هارمونیکی موتورهای AC

مدار معادل هارمونیک

جریانهای هارمونیک

تلفات مسی استاتور

تلفات مسی روتور

تلفات هارمونیکی هسته

راندمان موتور

گشتاورهای هارمونیک ساکن

گشتاورهای هارمونیک ضربانی

فصل سوم(فیلترهای ها رمونیک)

مقدمه

تعدیل خروجی یکسوساز

فیلتر کردن خروجی اینورتر

فیلترهای خط AC

نتیجه

ضمیمه 1

ضریب توزیع

سیم بندی گام کوتاه و تاثیر آن در ضریب گام

ضمیمه 2

هارمونیکهای شیار در ماشینهای AC

مراجع

فصل اول

آشنایی با هارمونیکها وسریهای فوریه

1-1)        مقدمه  

   از دیر باز مسئله هارمونیک ها و تلفات ناشی از آنها مورد توجه بوده است .هارمونیکها در دهه 1920 هنگامیکه شکل موجهای تغییر یافته در خطوط انطقال مشاهده شد تشخیص دهده شدند.در آن هنگام موضوع اصلی تاثیر هارمونیکها در ماشینهای سنکرون و القایی سیمهای ارتباطی (تلفن)و خازنهای قدرت بودند.

نتیجه بعضی از تحقیقات آن زمان در مورد یک خط انتقالkv220و400کیلو متری و همچنین یک موتور القایی به شرح زیر می باشد:

-    چنانچه ولتاژ خط هادی 7درصد هارمونیک سوم باشد ولتاژ انتهای خط در حالت بی باری دارای 53درصد هارمونیک سوم خواهد بود.

-          هارمونیک سوم در انتهای خط در بار کامل از 53درصد به 29درصدکاهش پیدا می کند.

در صورت وجود هارمونیک ضریب قدرت در طرف ژنراتور خط انتقال برابر 848% می باشد (در حالیکه بدون وجود هارمونیک ضریب قدرت 96% می باشد.).

-    در طرف مصرف کننده (وقتی که خط ولتاژ انتقال دارای هارمونیک است)ضریب قدرت برابر 82/0 میباشد.در حالیکه توسط دستگاههای اندازه گیری 75/0 اندازه گیری می شود.

-         برای یک موتور القایی که در سال 1930 ساخته شده است هارمونیکها باعث لرزش و سروصدای زیادی شده اند.

-         توان ورودی و همچنین جریان روتور با تغییر مقادیر هارمونیکها تغییر می کردند.

-         همین امر باعث گردیده مطالعاتی در زمینه بررسی اثرات کاهش و حذف هارمونیکها انجام شود.

   با توسعه علم الکترونیک و پیشرفت تکنولوژی ساخت نیمه هادی و کاربردشان این مسئله وارد مرحله تازه ای گردیده و تاثیر هارمونیکهایی که از طریق اینورترها کانورترها سیکلو کانورترها و... به سیستم قدرت وارد شده و موجب تلفات قابل ملاحظه ای می گشتند مورد توجه قرار گرفته و نحوه عملکرد این سیستم ها با چنین منابعی مورد بررسی بیشتر قرار گرفت .

   گشتاور راه اندازی و بار کامل جریان و حرارت مهمترین عواملی هستند که در یک موتور القایی توسط هارمونیکها تحت تاثیر قرار می گیرند.همچنین هارمونیکها سبب ایجا د نوسان و اغتشاش در ماشین شده و می توانند در ولتاژ خروجی ژنراتورهای ACظاهر شده وموجب اعوجاج شکل موج می گردند.

   وجود جریانهای هارمونیک در سیم بندی استاتور وروتورحتی هنگامیکه تلفات پوستی ناچیز باشدموجب افت توان و افزایش تلفات میگردند ونیز به دلیل شار نابرابری که در روتور القا می کنند باعث افت گشتاور شده و از محدوده سرعت قابل استفاده موتور می کاهند.

همچنین موجب کاهش راندمان موتور می گردندبه عنوان مثال اگر راندمان در بار کامل در حالت عادی(کار با منبع سینوسی)حدود 90% باشد تلفات ناشی از هارمونیکها بین 10 تا 5/12 درصد کل تلفات بوده وراندمان موتور حدود 2 درصد افت خواهد داشت.

   ترانسها نیز به طرق مختلف تحت تاثیر هارمونیکها قرار می گیرند. جریانهای هارمونیک می توانند به طور جدی راندمان ترانس را کاهش دهند و موجب تلفات قابل ملاحظه ای در ترانس گردند.در ترانسهایی که به عنوان جزئی از یک سیستم حفاظت به کار میروند(ترانسهای جریان و ولتاژ)جریانهای هارمونیک می توانند موجب اعوجاج در شکل وموج گشته و سبب تریپ مدار گردند. در ترانسهای سه فاز علاوه بر افت راندمان از اتصال ستاره-ستاره عبور کرده و وارد سیستم قدرت می شوند.

   هارمونیکها مشکلات دیگری نیز ایجاد می کنند که بعضی از آنها عبارتند از:

-         خرابی بانکهای خازنی به علت شکست عایقی یا افزایش بار .

-    تداخل هارمونیکها با کنترل بار مصرف کننده ها ((ripple control وسیستم PLCاین تداخل ها باعث عملکرد نا درست سیستم کنترل از راه دور واندازه گیری  می شوند.

-         اضافه ولتاژ هضافه جریان در سیستم به علت رزونانس سیستم در ها رمونیکهای ولتاژ و جریان در شبکه.

-         شکست عایقی کابلها در نتیجه اضافه ولتاژ اضافه ولتاژ ناشی از هار مونیکها .

-         تداخل با سیستم ارتباطات.

-         عملکرد نادرست رله ها ,بخصوص در سیستم کنترل و حفاظت استاتیتیکی و میکروپروسسوری.

-         تداخل در کنترل کننده های موتورهای بزرگ و سیستم تحریک ژنراتورها .

-         عملکرد ناپایدار مدار آتش در کنترل کنندهایی که بر اساس مقدار ولتاژ صفر عمل می کنند .

   در این فصل ابتدا به بررسی سریهای فوریه که ابزاری برای آنالیز هارمونیکها و تاثیراتشان می باشند پرداخته و سپس منابعی که می توانند منجر به تولید هارمونیکها شوند و در پایان به جزئیاتی در مورد تاثیر هارمونیکها بر برخی از تجهیزات خواهیم پرداخت .

1-2)      سریهای فوریه

   توابع دوره ای کاربرد وسیعی در مسائل مهندسی دارند .نمایش این توابع بر حسب توابع دوره ای ساده مانند سینوس و کسینوس , که منجر به سری فوریه می گردند , از نظر عملی اهمیت زیادی دارند . بسیاری از توابع دورهای نا پیوسته را می توان با سری فوریه بسط داد. ابتدا به بررسی توابع دوره ای و رابطه شان با سری های مثلثاتی می پردازیم.

1-2-1) توابع دوره ای , سری های فوریه   

   تابع (X )f را دورهای گویند هر گاه این تابع به ازای هر عدد حقیقی x تعریف شده باشد وعدد مثبتی مانند T موجود باشد به طوری که :

   به ازای هر x عدد T را دوره ) x)f می نامند . با توجه به معادله فوق داریم :

f(x+nT)=f(x)    که n عددی صحیح و دلخواه می باشد . به علاوه چنانچه f(x) و g(x) دارای دوره تناوب T باشند, آنگاه دوره تناوب تابع h(x)=af(x)+bg(x) برابر با T است.

   هدف ما پیدا کردن نمایش توابع گوناگون با دوره تناوب 2 بر حسب توابع ساده زیر است:

Cosx,sinx,cos2x,sin2x,…,cosnx ,sinnx,…

   که این توابع نیز دارای دوره تناوب 2 هستند . سری هایی که در ارتباط با این موضوع مطرح می شوند به صورت:

 

هستند که , … ,b b , , … ,b  a , a , a   ثابتهای حقیقی هستند . این سری را یک سری مثلثاتی می نامند ،    aرا ضرایب سری فوریه گویند.

   توابع دورهای اغلب در مسائل مهندسی مطرح می شوند و می توان توابع دوره ای با دوره تناوب    2 را به صورت یک سری مثلثاتی نمایش داد. چنانکه خواهیم دید توابع دوره ای هارمونیک را نیز می توان به صورت یک سری مثلثاتی نمایش داد.

1-2-2) سریهای فوریه , فرمولهای اویلر

فرض می کنیم f(x) تابعی با دوره تناوب 2 باشد که بتوان آن را به صورت سری مثلثاتی :

(1-2-3)                                                        + a f(x) =

نمایش داد. ضرایب   ,  ,   برای چنین تابعی به ثرمولهای اویلر مشهورند که عبارتند از :

 

 (1-2-4)                                                                           

                                                                                                           

 (1-2-5)                                                                                                                  

n=1,2,….

                                                                                 

(1-2-6)

n=1,2,…

   برای توابع دوره ای f(x) با دوره تناوب     با توجه به روابط فوق می توان    ,   ,    را محاسبه کرد و سری مثلثاتی

 + a f(x) =

را تشکیل داد . این سری موسوم به سری فوریه متناظر با f(x) است و ضرایب آن را از روابط فوق به دست می آورند.

1-2-3) موج مربعی

   تابع زیر را که نمایانگر یک موج مربعی است در نظر بگیرید.              

                                                                               

 

 

   با استفاده از روابط (1-2-4) الی (1-2-6) داریم:

                                                                     0 =

                =   

                                                                                          

   علت مشخص است چرا که در نقاط   -و0و   به ازای  n=1,2,… داریم sinnx=0 همینطور از رابطه (1-2-6) داریم:


 

   با استفاده از روابط cos(-a)=cosaو          cos(0)=1نتیجه می گیریم:

 


+ نوشته شده در  سه شنبه بیست و سوم آبان 1391ساعت 2:46 PM  توسط مهدی منصوری  | 

-2- هارمونیکها

 

1-3-2- مقدمه

بروز هارمونيك در سيستم‎هاي برق اولين پيامد عناصر غيرخطي در شبكه است. به‎‎‎خاطر گسترش فزاينده استفاده از عناصر غيرخطي در سيستم‎‎هاي برق، مانند راه‎‎اندازها (درايورهاي تنظيم سرعت) و مبدل‎‎هاي الكترونيكي قدرت، مقدار هارمونيك شكل موج جريان و ولتاژ به‎‎‎طور چشمگيري افزايش يافته است و بنابراين اهميت موضوع كاملاً مشخص است.

بررسي مسائل هارمونيك‎‎ها منجر به تحقيقاتي گرديد كه نتايج آن نقطه ‎‎نظرات متعددي درمورد كيفيت برق بود. به ‎‎نظر برخي از محققين، اعوجاج هارمونيكي هنوز مهمترين مسئلـه كيفيت برق مي‎‎باشد. مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين معمولي طراحي سيستم‎هاي قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلي مغاير است. بنابراين مهندس برق با پديده‎‎هاي ناآشنايي روبرو مي‎‎شود كه نياز به ابزار پيچيده و تجهيزات پيشرفته براي حل مشكلات و تجزيه و تحليل آنها دارد. گرچه تحليل مسائل هارمونيكي مي‎‎تواند دشوار باشد، ولي خوشبختانه همة سيستم قدرت داراي مشكل هارمونيكي نيست و فقط درصد كمي از فيدرهاي مربوط به سيستم‎هاي توزيع تحت‎‎تأثير عوامل ناشي از هارمونيك‎‎ها قرار مي‎‎گيرند. مشتركين برق در صورت وجود هارمونيك‎ها مشكلات زيادتري از شركت‎هاي برق را تحمل مي‎كنند. مشتركين صنعتي كه از محركه‎‎هاي موتور با قابليت تنظيم سرعت، كوره‎‎هاي قوس الكتريكي، كوره‎‎هاي القايي، يكسوكننده‎‎ها ، اينورترها، دستگاه‎‎هاي جوش و نظاير آن استفاده مي‎‎كنند، نسبت به مسائل ناشي از اعوجاج هارمونيكي ضربه‎‎پذيرتر از بقية مشتركين مي‎باشند.

اعوجاج هارمونيكي يك پديده جديد در سيستم‎هاي قدرت به شمار نمي‎رود. نگراني ناشي از اعوجاج در بسياري از دوره‎ها درسيستم‎هاي قدرت الكتريكي جريان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوي منابع و مطالب تكنيكي دهه‎هاي قبل نشان مي‎دهد كه مقالات مختلفي در رابطه با اين موضوع انتشار يافته است. اولين منابع هارمونيكي شناخته‎‎شده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستم‎هاي تلفن پديد آمد. استفاده گروهي از لامپ‎هاي قوس الكتريك به‎‎‎دليل مؤلفه‎هاي هارمونيكي توجهات خاصي را برانگيخت ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدل‎هاي الكترونيك قدرت در سال‎هاي اخير نبوده است.

خوشبختانه در طي اين سال ها پژوهشگران متوجه شده اند كه اگر سيستم انتقال به نحو مناسبي طراحي گردد، به‎‎نحوي كه بتواند مقدار توان مورد نياز بارها را به راحتي تأمين نمايد، احتمال ايجاد مشكل ناشي از هارمونيك‎ها براي سيستم قدرت بسيار كم خواهدبود، گرچه اين هارمونيك‎ها مي‎توانند موجب مسائلي در سيستم‎هاي مخابراتي شوند. اغلب در سيستم‎هاي قدرت مشكلات زماني بروز مي‎كنند كه خازن‎هاي موجود در سيستم باعث ايجاد تشديد در يك فركانس هارمونيكي گردند. در اين شرايط اغتشاشات و اعوجاجات، بسيار بيش از مقادير معمول مي‎گردند. امكان ايجاد اين مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولي شرايط بدتر در سيستم‎هاي صنعتي به‎دليل درجه زيادي از تشديد رخ مي‎دهد.

سطوح هارمونیک های جریان و ولتاژ در سیستم توزیع دائم در حال افزایش اند، یک دلیل مهم اشاعه وسائلی است که تولید هارمونیک می نمایند. وسایل کنترل کننده تریستوری مثال نمونه ایست که در سطوح قدرت صنعتی، تجاری و خانگی در حد وسیعی مورد استفاده پیدا نموده، این وسایل برای کنترل ولتاژ، سرعت تغییر فرکانس و مدل قدرت بکار برده می شوند و عموماً به سبب قیمت پائین تر، بازده بیشتر و نگهداری ساده تر جایگزین دیگر وسایل شده اند. دلیل دیگر افزایش هارمونیک ها، ازدیاد تحریک ترانسفورماتور های توزیع است که کاربرد پذیری آنها عملاً بیشتر و بیشتر می شود. دلیل سوم استفاده از خازن های شنت را می توان نام برد، خازن ها در هیچ شرایطی تولید هارمونیک نمی نمایند.اما نصب خازن های تصحیح کننده ضریب قدرت مسائل پتانسیلی را افزایش و حضور آنها در مدار القائی اساساً امکان حلقه های شبکه را برای رزونانس محلی ، عمومی یا بزرگ سازی هارمونیک مهیا می سازد.

تمایل بسوی ظرفیت بیشتر و ولتاژ بالاتر سیستم های توزیع در سطوح هارمونیک اثر خواهد گذاشت، پوشش های وسیع سیستم ها همراه با تمایل بسوی حلقه های شبکه طویل تر مدار تلفن موجب رویاروئی با مسائل تداخل القایی اضافی را میسر خواهد ساخت. آمیختن بارهای مسکونی، تجاری و صنعتی به  درجه زیاد روی همان فیدرها امکان تداخل القائی اضافی را مطرح خواهد نمود. با تغذیه کابورترهای قدرت با ظرفیت بالاتر از این فیدرها در نتیجه مقدار بیشتر منابع و جریان هارمونیک از شبکه نیرو کشیده خواهد شد.

بانک های خازن تصحیح کننده ضریب قدرت به تعداد زیادتر یا در اندازه بزرگتر منجر به ترکیبات بیشتر پارامترهای مدار برای تولید حلقه های رزنانس می شوند، ایستگاه های کششی قدرت (مانند مترو، ترامرا) برای ترانزیت سریع از سیستم های توزیع تغذیه شده، بعلت آمیختن با بارهای تجاری و مسکونی عموماً سطوح هارمونیک محیطی را افزایش می دهند.

بیشتر صنایع آلومینیوم و کلر در فرآیند تولیدات خود از سیستم های dc استفاده می نمایند. این تأسیسات هارمونیک بالا را تولید می کنند. خلاصه آنکه کوچکترین تردیدی باقی نمی گذارد که هارمونیک ها بدون کنترل در سیستم در حال افزایش و توسعه می باشند.در این قسمت سعی شده ضمن شناسائی منابع هارمونیک بصورت فشرده، اثرات زیان آور آنها روی دستگاه ها و روشهای کنترل تقلیل نیز اشاره گردد.

 

2-3-2- علت ايجاد اعوجاج هارمونيكي:

اعوجاج هارمونيكي در سيستم‎هاي قدرت ناشي از عناصر غيرخطي مي‎باشد. عنصر غيرخطي عنصري است كه جريان آن متناسب با ولتاژ اعمالي نمي‎باشد افزايش چند درصدي ولتاژ ممكن است باعث شود كه جريان دوبرابر شده و نيز موج جريان شكل ديگري به خود بگيرد. اين مورد ساده اي از منبع توليد اعوجاج در سيستم قدرت مي‎باشد.

هر شكل موج اعوجاجي پريوديك را مي‎توان به صورت جمع موج‎هاي سينوسي بيان نمود. يعني وقتي كه شكل موج از يك سيكل به سيكل ديگر تغيير نكند، اين موج را مي‎توان به صورت جمع امواج سينوسي خالص كه درآن فركانس هر موج سينوسي، مضرب صحيحي از فركانس اصلي موج اعوجاجي است نمايش داد. اين موج‎هاي سينوسي كه فركانس آن‎ها ضريب صحيحي از فركانس اصلي مي‎باشند، هارمونيك‎هاي مؤلفه اصلي گويند. جمع اين موج‎هاي سينوسي به سري فوريه معروف است اين مفهوم رياضي اولين بار توسط فوريه رياضيدان فرانسوي مورد توجه قرار گرفت.

 

3-3-2 منابع هارمونیک:

پيدايش عناصر نيمه هادي و المان‎‎هاي غيرخطي نظير ديود ، تريستور و ... و استفادة فراوان از آنها در شبكه‎‎هاي قدرت عامل جديدي براي ايجاد هارمونيك در سيستم‎هاي قدرت به‎وجود آورد. كاربرد اين عناصر را مي‎توان در تجهيزات و سيستم‎هاي قدرت زير ديد:

- كوره‎هاي قوس الكتريكي و القايي

- يكسوكننده‎‎ها و مبدل‎‎هاي الكترونيك قدرت
- تجهيزات مورد استفاده در كنترل‎‎كننده‎هاي سرعت ماشين‎هاي الكتريكي
- كاربرد SVC بعنوان ابزار مهمي دركنترل توان راكتيو
- بارهاي غيرخطي شامل دستگاه‎‎هاي جوشكاري
-  جريان مغناطيسي ترانسفورماتور
از سوي ديگر عوامل زير را نيز مي‎توان به عنوان توليدكنندة هارمونيك در نظر گرفت:

- توليد شكل موج غير سينوسي توسط ماشين‎هاي سنكرون ناشي از وجود شيارها و عدم توزيع يكنواخت سيم‎‎پيچي‎هاي استاتور

- توزيع غير سينوسي فوران مغناطيسي در ماشين‎هاي سنكرون

همچنين صنايع زير را مي‎توان از جمله عوامل توليد هارمونيك در شبكه‎هاي الكتريكي محسوب نمود:
- صنايع شامل مجتمع‎هاي شيميايي و پتروشيمي و نيز صنايع ذوب آلومينيم كه از يكسوكننده‎هاي پرقدرت براي توليد برق DC مورد نيـاز انجام فرآيندهاي شيميـائي و ذوب آلومينيـم استفـاده مي‎كنند. با توجـه به قـدرت بالا، اين يكسـوكننده‎ها هارمونيك قابل ملاحظه‎اي در شبكة قدرت به وجود مي‎آورند.

استفاده از سيستم‎هاي الكترونيك قدرت در سيستم حمل و نقل برقي مانند اتوبوس برقي و متروها باعث مي‎شود سطوح زيادي از هارمونيك به سيستم توزيع تزريق شود.

بارهاي غيرخطي مانند كوره‎هاي قوس الكتريكي كه در صنايع ذوب‎‎آهن استفاده مي‎شود از عوامل توليد هارمونيك در مقياس بزرگ مي‎باشند.

چشم انسان نه تنها به تغییرات ولتاژ حساس است بلکه به فرکانس این تغییرات نیز حساس می باشد.

عوامل تولید و مشترکین تولید کننده فلیکر:

- سوئیچ کردن سریع بارهای بزرگ (مانند پرسهای اتوماتیک)

- راه اندازی موتورهای با توان بالا (خصوصاً با کارکرد پریودیک)

- بارهای نوسانی (مانند کوره های الکتریکی کنترل شده توان بالا)

- تجهیزات جوشکاری

- کوره های قوس الکتریکی

ماشین های گردنده:

در ماشینهای القایی مهم ترین هارمونیک ها عمدتاً بدلیل تغییر در مقاومت مغناطیسی ایجاد شده بواسطه شیارها در روتور استاتور تولید می شوند. تولید هارمونیک در ماشینهای سنکرون بستگی به عواملی چون تحریک (اشباع در مدار اصلی، مسیر نشتی و فضای نامتقارن سیم پیچی مستهلک کننده دارد.

کانورترهای کابردی حذف کامل ترتیب های پائین تر هارمونیک را نشان نمی دهند، زیرا مدار ترانسفورماتور و نامتعادلی در آتش تریستور وجود داشته که در ملاحظات تئوریکی طرحهای اصلاحی در نظر گرفته نمی شود، به عنوان مثال نمونه، مقدار هارمونیک های پنجم و هفتم در کانورتر 12 پالس در واقع 15 تا 20 درصد مقادیر نشان داده شده برای کانورتر 6 پالسه است.

 

4-3-2- اثرات هارمونیک ها:

 اثرات هارمونیک ها در دو سطح قابل بررسی است، نخست دستگاه و تأسیسات، سپس در کنترل، حفاظت و اندازه گیری. در حالت نخست نتایج نسبتاً بالای هارمونیک های ولتاژ و جریان موجب ایجاد هارمونیک می گردد.

جدول (1-2) منابع ایجاد هارمونیک و اثرات هارمونیک

شکل (1-2) بلوک های دیاگرام اثرات هارمونیک ها در شبکه

زیان، خسارت و معیوب شدن دستگاه ها یا تلفات بالای غیر قابل قبول انرژی میگردد، حالت دوم شامل تداخل سیستم های مصرفی حفاظتی و کنترل، و تنزل در دقت سیستم های اندازه گیری می شود.

5-3-2- دستگاه ها و تأسیسات

 

الف) بانک های خازن:

اثرات هارمونیک ها روی خازن ها، تلفات اضافی و حرارت را موجب می گردد همچنین نسبت فازی نامطلوب بین هارمونیک ها و ولتاژ اعمال شده به خازن ممکن است منجر به افزایش بیشتر از ده درصد ولتاژ منابع خازن گردد. این مهم و قابل توجه است، زیرا کرونا در این سطح ولتاژ شروع و باعث تقلیل عمر خازن و یا معیوب شدن خازن می گردد. ولتاژ فوق تابعی است از ولتاژ پیک به پیک و نه ولتاژ rms از اینرو اغلب بگونه ایست که اصولاً جمع حسابی ولتاژ های کرست پایه و هارمونیک از 110 درصد نامی ولتاژ کرست خازن تجاوز ننماید (ولتاژ نامی خازن * 4/1 *1/1 )، سرانجام باستی اطمینان لازم را بوجود آورد که هارمونیک تولید جریان و Var متجاوز از مقادیر نامی در جریان می باشد.

ب) ماشین های گردنده:

در موتورهای القائی بازده  و حرارت دو سیمای قابل بررسی هستند. هارمونیک ها در گشتاور موتور اثر داشته اما عموماً انتظار نمی رود مهم وقابل توجه باشند، همچنین نوسانات مکانیکی تولید شده در اثر گشتاورهای نوسانی بواسطه یک اثر متقابل بین جریانهای هارمونیک و فیلد مغناطیسی مبناء می باشد. برای ماشین های سنکرون اثرات مشابه است، اصل مهم حرارت ایجاد شده خصوصاً بواسطه جریان القاء شده در روتور می باشد.

ج) ترانسفورماتورها:

هارمونیک های ولتاژ موجب افزایش تلفات آهنی و هارمونیک های جریان سبب افزایش تلفات مس و تلفات شار می گردند. نتیجه افزایش حرارت این است که ممکن است ناچیز باشد، لحظاتی است که اولین علائم موجودسطوح هارمونیک غیر قابل تحمل، بشدت حرارت ترانسفورماتورها را زیاد می کند.

د) سوئیچگر:

یک اثر بدیهی جریان های هارمونیک، زیاد شدن حرارت و تلفات است. امکان اثر گذاشتن روی قطع کننده های مدار وجود دارد. بهرحال در این رابطه هیچگونه راهنمائی وجود ندارد.

گ) اضافه ولتاژ یا اضافه جریان سیستم:

نوسانات وسیع بار در سیستم توزیع همراه با تغییر سطوح Var خازنی منجر به نوسانات قابل ملاحظه در مدار و فرکانس رزونانس می گردد. خصوصاً مداراتی که متحمل جریان و ولتاژ منابع هارمونیک فوق الذکر شده اند می توانند به سطوح بالای ولتاژ و جریان غیر قابل انتظار در سیستم هدایت گردند. این مسئله منتهی به معیوب شدن نابهنگام عایقی دستگاه می شود، همچنین در بعضی موارد نادر منجر به معیوب شدن برقگیر شده است. اضافه جریانهای هارمونیک ممکن باعث سوختن و همچنین مشکلاتی برای آسیاب های مدار شکن تداخل القائی، ازدیاد هدایت و تلفات بیش از اندازه و حرارت گردد.

ل) فیوزها:

جریانهای هارمونیکی با دامنه وسیع می تواند باعث سوختن فیوز شوند، همچنین روی مشخصات جریان – زمان فیوز تأثیر بگذارد، زیرا حرارت بیشتر از حرارت پیش بینی شده در المان های ذوب شوند. فیوز ایجاد می گردد زمانهای ذوب مینیموم کوتاهتر شده، بویژه برای فالت ها با مقدار پائین تر.

6-3-2- کنترل، حفاظت و اندازه گیری:

الف) Ripple و جریان کریر سیستم:

دستگاه های گیرنده کنترل Ripple سیستم ها که در رنج 290 تا 1650 کیلوهرتز تنظیم شده اند، قابلیت پذیرش تداخل فرکانس قدرت را دارا می باشند. هارمونیک های تداخلی پتانسیلی از کانورترها و یا کوره های قوسی با دامنه خیلی پائین در سیستم های جریان کریر که در رنج های 5 تا 10 کیلوهرتز و تا 300 به 400 کیلوهرتز عمل می کنند را دچار اشکال می سازد.

ب) رله های حفاظتی:

از مطالعات اثرات هارمونیک روی رله ها، نتایج برجسته ذیل استنتاج گردیده است.

1- رله ها در آزمایشات، متمایل به عملکرد کندتر و یا در مقادیر راه انداز  بالاتر از مقادیر واقعی را نمایش می دهند.

2- مشخصه های عملکرد رله های استاتیکی فرکانس پائین دچار تغییرات اساسی می گردند.

3- تغییرات در مشخصات عملکرد نسبت به محدوده تغییر شکل پیش بینی شده نسبتاً کوچک می باشند.

آزمایشات روی رله های اضافه ولتاژ و اضافه جریان در مشخصات عملکرد تغییرات متفاوتی را نشان داده که بستگی به نوع کارخانه سازنده رله دارد. گشتاور عمل کننده در بعضی فرکانس ها می تواند معکوس شده زمان عملکرد بطور وسیعی همچون یک تابعی از ترکیب فرکانس کمیت اندازه گیری شده را تغییر دهد. محدوده دید رله های امپدانسی از نوع متعادلی دچار نوسان می گردد. (کم یا زیاد می شود). عملکرد سریع رله های دیفرانسیال می تواند آسیب پذیر باشد که این وضعیت در چندین آزمایش منجر به عدم عملکرد رله گردیده است، بطور کلی دقت و هوشیاری رله های حفاظتی تحت تأثیر هارمونیک های شبکه دچار نقصان و تنزل می گردند.

د) دستگاه های اندازه گیری:

نتیجه مطالعات انجام شده نشان می دهد، وسائل اندازه گیری قدرت، خصوصاً بعضی ترانسدیوسرهای وات الکترونیکی تحت تأثیر هارمونیک قرار می گیرند. وجود 20% هارمونیک پنجم موجب 10 تا 15% خطا در ترانسدیوسرهای وات الکترونیکی سه فاز یا دوالان شده است.

اما در مورد وات مترهای القائی خطای ناشی از هارمونیک ناچیز و قابل قبول می باشد، بسته به نوع دستگاه های اندازه گیری امکان هر دو خطای مثبت و  منفی وجود دارد. دستگاه های اندازه گیری از نوع Solid – state قیمت می توانند اندازه واقعی قدرت را با شکل موج اندازه گیری نمایند، بهر حال هارمونیک ها در رابطه با اندازه گیری Var بعلت اینکه مفهوم کمیت فیزیکی را ندارند. ایجاد اشکال می نمایند، زیرا مفهوم ریاضی براساس شکل موج سینوسی خالص را دارا می باشند.

 

7-3-2- تداخل القائی:

هم آهنگی القائی سیستم های قدرت و تلفن از اهمیت ویژه ای برخوردار است، سه عامل مهم محل و اتصال بانک های خازن، ازدیاد تحریک ترانسفورماتور و عدم تعادل بار فیدر در مسائل القائی طرح و عملیاتی شبکه نیرو تأثیر دارد. یک گروه تحقیقاتی حدود 60 سال پیش در رابطه با تجزیه و تحلیل و کاهش اثرات سیستم های قدرت بر روی ارتباطات صدا مطالعاتی انحام داه که نتایج این گروه توأم با عملکرد عملی مهندسین و پیشرفت در امرتکنولوژی ساخت تجهیزات ارتباطی باعث کاهش مسائل اولیه گردیده است اخیراً بعضی از دلایل عمده که باعث تمایل هر دو شرکت های سازنده تلفن و قدرت در طراحی سیستم ها شده بشرح ذیل می باشند:

1- شبکه های حلقوی طولانی تر تلفن

2- توسعه شبکه های سرویس دهنده تلفن به محل های ناهموار و دوردست

3- بکارگیری سیستم های ارتباطی برای ارسال اطلاعات به روش های جدید

4- تکثیر وسایل کنترل کننده تریستوری

5- اضافه شدن جریانهای اتصال زمین در سیستم زمین

فرض می کنیم یک جریان هارمونیکی از یک شبکه توزیع سه فازه مدل شده عبور نماید برای یک شبکه n شینه تلفات اکتیو (PL) برای هر مرتبه هارمونیک بیان می شود برابر با مجموع تلفات اکتیو تزریقی است.

Pn تلفات اکتیو تزریقی به شینه n ام از رابطه (3) محاسبه می شود.

معادله (3) نشان می دهد اطلاعاتی درباره دامنه و فاز جریان و ولتاژ هارمونیکی منبع تغذیه و بار هر باس برای محاسبه تلفات اکتیو با هر مرتبه هارمونیک موردنیاز می باشد. بطور کلی تلفات اکتیو از رابطه (4) بدست می آید.

در یک محیط هارمونیکی رابطه بین جریان هارمونیک و جریان فرکانس اصلی مطابق رابطه (7) می باشد.

با جایگزینی معادله (7) در (5) رابطه بین تلفات اکتیو اصلی و تلفات هارمونیکی بصورت ذیل ارائه می گردد.

به عبارت دیگر هر چه THD بیشتر باشد تلفات در حالت تغذیه هارمونیکی نسبت به تلفات با موج سینوسی خالص بیشتر خواهد شد. تلفات توان اکتیو متناسب با جریان اصلی می باشد لذا حالتی که جریان هارمونیکی از باری کشیده شود، مقدار جریان و ولتاژ هارمونیکی از حالت اصلی بیشتر می شود. شکل (2-2) نشان می دهد با افزایش THD مقدار جریان هارمونیکی و تلفات اکتیو افزایش می یابد.

شکل (2-2) رابطه تلفات و جریان هارمونیکی با مقدار THD

 

8-3-2- اثر هارمونیک ها بر خازن ها:

درسالهاي اوليه، هارمونيكها در صنايع چندان رايج نبودند. به خاطر مصرف كننده هاي خطي متعادل. مانند : موتورهاي القايي سه فاز،گرم كنندها و روشن كننده هاي ملتهب شونده تا درجه سفيدي و ..... اين بارهاي خطي جريان سينوسي اي در فركانسي برابر با فركانس ولتاژ مي كشند. بنابراين با اين تجهيزات اداره كل سيستم نسبتا با سلامتي بيشتري همراه بود. ولي پيشرفت سريع در الكترونيك صنعتي در كاربري صنعتي سبب بوجود آمدن بارهاي غير خطي صنعتي شد. در ساده ترين حالت ، بارهاي غيرخطي شكل موج بار غير سينوسي از شكل موج ولتاژ سينوسي رسم مي كنند (شكل موج جريان غير سينوسي). پديدآورنده هاي اصلي بارهاي غير خطي درايوهاي AC / DC ، نرم راه اندازها ، يكسوسازهاي 6 / 12 فاز و ... مي باشند. بارهاي غيرخطي شكل موج جريان را تخريب مي كنند. در عوض اين شكل موج جريان شكل موج ولتاژ را تخريب مي نمايد. بنابراين سامانه به سمت تخريب شكل موج در هر دوي ولتاژ و جريان مي شود.

 

 9-3-2-  اساس هارمونيك ها :

اصولا هارمونيك ها آلوده سازي شكل موج را در اشكال سينوسي آنها نشان مي دهند. ولي فقط در مضارب فركانس اصلي . تخريب شكل موج را مي توان در فركانس هاي مختلف (مضارب فركانس اصلي) بعنوان يك نوسان دوره اي بوسيله آناليز فوريه تجزيه و تحليل كرد. در حال حاضر هارمونيكهاي فرد و زوج و مرتبه 3 در اندازه هاي مختلف ضرايب فركانس هاي مختلف در سامانه هاي الكتريكي موجودند كه مستقيما تجهيزات سامانه الكتريكي را متاثر مي سازند. در معنايي وسيعتر هارمونيكهاي زوج و مرتبه 3 هريك تلاش مي كنند كه ديگري را خنثي نمايند. ولي در مدت زماني كه بار نا متعادل است اين هارمونيك هاي زوج و مرتبه 3 منجر به اضافه بار در نول و اتلاف انرژي شديد مي شوند. با تمام احوال هارمونيك هاي فرد اول مانند هارمونيك پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و .... عملكرد اين تجهيزات الكتريكي را تحت تاثير قرار مي دهند.

هارمونيك هاي ولتاژ و جريان تاثيرات متفاوتي بر تجهيزات الكتريكي دارند. ولي عموما بيشتر تجهيزات الكتريكي به هارمونيكهاي ولتاژ بسيار حساس اند. تجهيزات اصلي نيرو مانند موتورها، خازن ها و غيره بوسيله هارمونيكهاي ولتاژ متاثر مي شوند. به طور عمده هارمونيكهاي جريان موجب تداخل مغناطيسي می شود.

تشديد:

اساسا تشديد سلفي – خازني در همه انواع بارها مشاهده مي شود. ولي اگر هارمونيك ها در شبكه توضيع شايع نباشند تاثير تشديد فرونشانده مي شود.

در هر تركيب سلفي – خازني چه در حالت سري و چه در حالت موازي ، در فركانسي خاص تشديد رخ مي دهد كه اين فركانس خاص فركانس تشديد ناميده مي شود. فركانس تشديد فركانسي است كه در آن رآكتنس خازني (Xc) و رآكتنس القايي (XL) برابر هستند.

براي تركيبي مثالي براي بار صنعتي كه شامل اندوكتانس بار و يا رآكتنس ترانسفورماتور كه بعنوان XL عمل مي كند و رآكتنس خازن تصحيح ضريب توان كه بصورت Xc خودنمايي مي كند فركانس تشديدي برابر با LC خواهيم داشت . رآكتنس خازني متناسب با فركانس كاهش مي يابد (توجه : Xc با فركانس نسبت عكس دارد). در حالي كه رآكتنس القايي متناسب با آن افزايش مي يابد (توجه  XL با فركانس نسبت مستقيم دارد).اين فركانس تشديد به سبب متغير بودن الگوي بار متغير خواهد بود. اين مساله براي ظرفيت خازني ثابت كل براي اصلاح ضريب توان پيچيده تر است. براي درك صحيح اين پديده لازم است دو نوع وضعيت تشديد شامل حالت تشديد سري و حالت تشديد موازي مورد توجه قرار گيرند. اين دو امكان در زير توضيح داده مي شوند.

تشديد سري:

يك تركيب سري رآكتنس سلفي – خازني ، مدار تشديد سري شكل مي دهد.

به خاطر تركيب سري سلف و خازن ، در فركانس تشديد امپدانس كل به پايين ترين سطح كاهش مي يابد و اين امپدانس در فركانس تشديد طبيعتي مقاومتي دارد. بنا براين در فركانس تشديد رآكتنس خازني و رآكتنس سلفي (القايي) برابر هستند.اين امپدانس پايين براي توان ورودي در فركانس تشديد ، افزايش تواني جريان را نتيجه مي دهد.

در كاربري صنعتي رآكتنس ترانسفورماتور قدرت به علاوه خازنهاي اصلاح ضريب توان در سمت ولتاژ پايين به عنوان يك مدار تشديد موازي براي سمت ولتاژ بالاي ترانسفورماتور عمل مي كند. اگر اين فركانس تشديد تركيب سلف و خازن بر فركانس هارمونيك شايع در صنعت منطبق شود ، بخاطر بستري با امپدانس پايين ارائه شده توسط خازن ها براي هارمونيك ها ، منجر به افزايش تواني جريان خازن ها خواهد شد. از اين رو خازن هاي ولتاژ پايين در سطحي بسيار بالا اضافه بار پيدا خواهند كرد كه همچنين اين عمل موجب تحميل بار اضافي بر ترانسفورماتور مي شود. اين پديده منجر به تخريب ولتاژ در شبكه ولتاژ پايين مي شود.

 

تشديد موازي:

یك تشديد موازي تركيبي از رآكتنس خازني و القايي است. در اينجا رفتار امپدانس برعكس حالت تشديد موازي خواهد بود. در فركانس تشديد امپدانس به مقداري بالا افزايش مي يابد. اين ، منجر به بوجود آمدن مدار تشديد موازي ميان خازن هاي اصلاح ضريب توان و اندوكتانس بار مي شود كه نتيجه آن عبور ولتاژ بسيار بالا هم اندازه امپدانس ها و جريان هاي گردابي بسيار بالا درون حلقه خواهد بود.

در كاربري صنعتي خازن اصلاح ضريب توان مدار تشديد موازي با اندوكتانس بار تشكيل مي دهد.هارمونيك هاي توليد شده از سمت بار رآكتنس، شبكه را افزايش مي دهند. كه موجب بلوكه شدن هارمونيك هاي سمت تغذيه مي شود.اين منجر به تشديد موازي اندوكتانس بار و اندوكتانس خازني مي شود. مدار LC (سلفي – خازني) موازي ، شروع به تشديد ميان آنها مي كند كه منجر به ولتاژ بسيار بالا و جريان گردابي بسيار بالا در درون حلقه مدار سلف – خازن (LC) مي شود. نتيجه اين امر آسيب به تمام سمت ولتاژ پايين سامانه الكتريكي است.

ايزوله كردن تشديد موازي از ايزولاسيون تشديد سري نسبتا پيچيده تر است.اساسا اين امر بخاطر تنوع بار صنعتي از زماني به زمان ديگر است كه موجب تغيير فركانس تشديد مي شود.

اين تغيير مداوم فركانس تشديد ممكن است موجب تطبيق فركانس تشديد بر فركانس هارمونيك شود كه ممكن است منجر به ولتاژ بالا و جريان بالا كه سبب نقص و خرابي تجهيزات الكتريكي مي شوند ، گردد.بنابراين در هر دو تشديد موازي و سري خازنهاي قدرت متاثر هستند كه بكار گيري دستگاه هاي حفاظتي و ايمني را براي خازنها ايجاب مي نمايد. اين امر درك صحيح بر خازنهاي قدرت را قبل از از اعمال تصحيح بخاطر تاثير هارمونيك ها و تشديد ايجاب مي نمايد.

 

+ نوشته شده در  سه شنبه بیست و سوم آبان 1391ساعت 1:39 PM  توسط مهدی منصوری  |