هارمونیک چیست و چگونه آنها را فیلتر و از سیستم حذف کنیم؟

فهرست

۱- مقدمه ای بر هارمونیک

۲-هارمونیک  چیست؟

۳ -اعوجاج  هارمونیکی

۴ -منابع و تأثیرات هارمونیک

۵ – حذف هارمونیک ها و انواع فیلترها

۵-۱ فیلترهای هارمونیک منفعل  یا پسیو (Passive filters)

۵-۲ فیلترهای هارمونیکی فعال یا اکتیو(Active filters)  

۵-۳ فیلترهای هارمونیکی ترکیبی یا هیبریدی (Hybrid filters)

۱-مقدمه ای بر هارمونیک ها

کیفیت تامین برق یک مساله مهم هم برای شرکت ها و هم برای کاربران است ، اما این کیفیت ممکن است تحت تاثیر اختلالات الکترومغناطیسی(electromagnetic disturbances) قرار گیرد .

در میان این اختلالات، باید هارمونیک هایی را که در همه سطوح ولتاژی اتفاق می افتد مشخص کنیم .

روش های مطالعه، محاسبه مقادیر قابل قبول و اصلاح و حذف هارمونیک ها در استاندارد زیر تعریف شده اند:

IEC [۱]Standard 61000-2-4: Electromagnetic compatibility (EMC) [۲] – Environment – Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances.

استاندارد Standard 61000-2-4 IEC: سازگاری الکترومغناطیسی(EMC)-  سطوح سازگاری با محیط در کارخانه های صنعتی برای اختلات ایجاد شده با  فرکانس های پایین

۲- هارمونیک ها چیست؟

ژنراتور ها(مولد ها) ولتاژ های متناوب (V) و جریان ها (I) با شکل موج سینوسی و فرکانس f) 50)  هرتز یا ۶۰ هرتز تولید می کنند (این فرکانس، که  اولین هارمونیک است معمولا توسط فرکانس اصلی یا صنعتی تعریف می شود)، چیزی که در شکل ۱ مشاهده می کنید .

با این حال ، با توجه به برخی ویژگی های تجهیزات ، که در شبکه نصب می شوند جریان های با فرکانس های متفاوت غیر از فرکانس اصلی  در شکبه ایجاد می کنند که ضرایبی از فرکانس های اصلی می باشد که به آنها هارمونیک می گویند.

هارمونیک ۳ – ۱۵۰ هرتز یا ۱۸۰ هرتز؛ هارمونیک ۵ – ۲۵۰ هرتز یا ۳۰۰ هرتز؛ هارمونیک هفتم – ۳۵۰ هرتز یا ۴۲۰ هرتز؛ و غیره.

ما می توانیم بگوئیم که هارمونیک اختلالات مداوم و یا تحریف در شبکه برق ایجاد می کنند و یک موضوع کاملا متفاوت یا مشکل  متفاوت در مقایسه با ولتاژ های ضربه ای(impulse)، افت ولتاژ های ناگهانی sags ، spikes، surges در خطوط انتقال  که به عنوان اختلالات گذرا طبقه بندی می شوند هستند.

شکل ۲ نمونه هایی از هارمونیک اول، هارمونیک ۳ و هارمونیک ۵ را نشان می دهد.

وجود هارمونیک باعث اختلال در شکل موج سیسنوسی ولتاژ (یا جریان) فرکانس اصلی  که در شکل ۳ قابل مشاهده است می شود ، با توجه به این که هر شکل موجی را می توان با یک سری از فرکانس های مختلف سینوسی تعریف کرد، لذا هر نوع شکل موجی مجموع از هارمونیک های با ارزش یا کم ارزش است.

معادله ای که با آن می توان این فرکانس ها و دامنه شان را به دست آورد سری فوریه می باشد. برای مثال در واقع با سری فوریه می توان یک شکل موج مربعی را از مجموعی از شکل موج های سینوسی که ضریبی از یک فرکانس خاص می باشد ایجاد کرد.

چرا باید یک شکل موج مربعی را به مجموعی از شکل موج های سینوسی تبدیل کرد؟

این کار باعث می شود بسیاری از تحلیل ها در شبکه ی برق ساده تر شده و بتوان خیلی از معادلات تعریف شده در برق را برای تحلیل این شکل موج ها در مدارهای مختلف به کار برد.

سری فوریه[۳] جمع لحظه ای (u(t را به صورت زیر نمایش می دهد

که

(t)زمان بر حسب ثانیه می باشد

[ω = ۲πf [s^-1

T دوره  تناوب [s]

f0 فرکانس اصلی [Hz]

s )t) یک تابع تناوبی است که در فاصله [۰، T] قابل انتگرال گیری می باشد

معمولا هارمونیک ۳ در سیستم الکتریکی مضر است، اما در شرایط خاص، هارمونیک های پنجم و هفتم را هم نیز نمی توان نادیده گرفت و در سیستم مزاحم هستند

۳-اعوجاج هارمونیک(Harmonic Distortion)

با توجه به استاندارد IEC 61000-2-4، اعوجاج هارمونیک با پارامتر THD- Total Harmonic Distortion (مجموع اعوجاج هارمونیکی )مشخص می شود – که با معادله زیر محاسبه می شود:

جایی که Q1 نشان دهنده مقدار rms یا جریان در فرکانس اصلی(۵۰ هرتز) و شکل موج هارمیک Q_i ترتیب هارمونیک ها “I” (هارمونیک دوم – I = 2، ۳ هارمونیک I = 3 و غیره) از ولتاژ و یا جریان را نشان می دهد.

استاندارد IEC همچنین پارامترهای زیر را تعریف می کند:

( TDC (Total Harmonic Content یا کل محتوای هارمونیکی

که مقدار rms توسط معادله زیر محاسبه می شود:

که Q1 نشان دهنده مقدار rms ولتاژ و یا جریان در فرکانس پایه(۵۰ هرتز) و مقدار QMS مقدار RMS ولتاژ یا جریان است.

(TDR (Total Harmonic Ratio – (نسبت مجموع هارمونیکی)

نسبت مقدار RMS  TDC و مقدار rms ولتاژ یا جریان در فرکانس پایه (Q1)، توسط معادله زیر محاسبه می شود:

با توجه به حداقل توان سه فاز اتصال کوتاه (S”_K) شبکه و حداکثر مقادیر (Ω) امپدانس اتصال کوتاه در نقاطی که THD محاسبه شده[۴] (Z_K; R_K; X_K)معمولا محاسبات برای ولتاژ انجام می شود، برای انجام این محاسبات یک نرم افزار خاص لازم است.

استانداردهای IEC فوق، ۳ کلاس برای محیط الکترومغناطیسی را تعریف می کند [۵]:

1. کلاس ۱: این کلاس برای تجهیزات محافظت شده اعمال می شود و سازگاری کمتری با شبکه های برق رایج دارند .این کلاس مربوط به استفاده از تجهیزاتی که نسبت به اختلالات  در منبع تغذیه بسیار حساس هستند می باشد، به عنوان مثال دستگاه های الکتریکی در آزمایشگاه ها، برخی از تجهیزات اتوماسیون و حفاظت، برخی از کامپیوتر ها و غیره.
2. کلاس ۲: این کلاس به طور کلی به [PCC [6 و [IPC [7 در محیط های صنعتی و سایر منابع تامین توان غیر عمومی اعمال می شود. سطوح سازگاری این کلاس عموما با شبکه های عمومی برق مشابه هستند. بنابراین، اجزای طراحی شده برای استفاده در شبکه های عمومی برق ممکن است در این کلاس از محیط صنعتی استفاده شوند.
3. کلاس ۳: این کلاس فقط برای IPC در محیط های صنعتی اعمال می شود. سطح سازگاری بالاتری از کلاس ۲ برای برخی از پدیده های اختلالی دارند. به عنوان مثال، اگر هر یک از شرایط زیر وجود داشت این کلاس باید در نظر گرفته شود: بخش عمده ای از بار از طریق ژنراتور ها تغذیه می شود؛ ماشین آلات جوش وجود دارد، موتورهای بزرگ به دفعات زیاد استارت می خورند، بارها به سرعت تغییر می کنند.

سطوح سازگاری هارمونیک [۸] (U_h [%]) برای فرکانس های فرد ضرایبی از عدد ۳  در جدول ۱ نشان داده شده است و برای فرکانس های فردی  که از  ضرایب ۳  نیستند در جدول ۲ نشان داده شده اند.

 

سطوح سازگاری THD برای هر یک از کلاس ها عبارتند از:

• کلاس ۱ – ۵٪.
• کلاس ۲ – ۸٪.
• کلاس ۳ – ۱۰٪.

۴-منابع و اثرات هارمونیک ها

هارمونیک ها یک منبع دائمی از تولید مشکلات در تجهیزات الکتریکی و سیستم هستند.

انواع بارهای (بارهای غیر خطی [۹]) منابع اصلی هارمونیک هستند شامل:

• تجهیزات الکترونیکی قدرت (به عنوان مثال: یکسو کننده ها – یعنی آنهایی که در سیستم های حمل و نقل کششی استفاده می شود – و مبدل های استاتیکی).
• تجهیزات جوش کاری (به عنوان مثال: کوره های القایی، ماشین های جوشکاری).
• تجهیزاتی که اشتباع می شوند (ترانس بی باری که توان نامی آن خیلی بزرگ است).

برای به حداقل رساندن تولید هارمونیک تجهیزات یکسوکننده شش پالس تولید می شوند و تجهیزاتی که  برای سیستم های حمل و نقل  کششی استفاده  می شوند هارمونیک های جریان ۵، ۷، ۱۷ و ۱۹ را تولید می کنند که ناشی از عدم تعادل دیودها و امپدانس شبکه است.

همچنین  در شرایط کاری عادی تجهیزات و شبکه، باید ریسک ناشی از رزونانس ها برای این فرکانس ها را در نظر گرفت

عملیات سوئیچینگ بانک های خازنی و ترانسفورماتورهای قدرت دارای اضافه بار، نیز یک منبع مهم تولید هارمونیک است.

ترانسفورماتورهای قدرت برای ولتاژهای بیش از ۶۰ کیلو ولت با اتصال ستاره ستاره (YY) هم منبع هارمونیک هستند. برای جبران این هارمونیک ها، ترانسفورماتورهای قدرت ذکر شده باید یک سیم پیچ ثانویه داشته باشند، که اتصال آن دلتا (مثلث) است.

علاوه بر اعوجاج شکل  ولتاژ ، هارمونیک  باعث  عملکرد نادرست سیستم های کنترل و حفاظت هستند که ناشی از تداخل الکترومغناطیسی ، افزایش اثر پوستی [ ۱۰ ] ، ایجاد نوسان مکانیکی و ارتعاشات فرکانس است .

مخصوصا در ترانسفورماتورهای قدرت و ماشین های دوار، هارمونیک ها باعث کاهش ضریب توان (cos Φ)، ایجاد پیری زودرس در مواد عایق، منجر به از دست رفتن مشخصات دی الکتریکیشان، افزایش منابع تولید گرما  و افزایش دمای کار آنها مخصوصا در ترانسفورماتورها و کابل ها، و در کل باعث کاهش عمر این تجهیزات می شوند

هارمونیک هایی، که علت اعوجاج شکل  ولتاژ هستند، در بارهای غیر خطی همانن موتورها در جریان هستند و هنگامی که تحت یک شار مغناطیسی متغیر قرار می گیرند، باعث ایجاد جریان گردشی (جریان فوکو) در رسانا ها می شوند، که گشتاور را کاهش می دهد.

در سیستم های نامتعادل، هارمونیک ها می توانند جریان خنثی(نول) بیشتر از مجموع جمع برداری جریان فاز ها در فرکانس اصلی ایجاد کنند که منجر به اضافه بار در هادی خنثی می شود.

اثر پوستی ، مقاومت رساناها را افزایش می دهد و بنابراین باعث افت ولتاژ و افزایش تلفات به علت اثر ژول می شود. این مساله به ویژه در خطوط هوایی بالای ۱۵۰ کیلو ولتی و طول ۸۰۰ کیلو متر و بالاتر بسیار حساس است . راه حل متداول برای حل این مشکل استفاده از خطوط هوایی DC است که در آن اثر پوستی وجود ندارد .

نوسانات مکانیکی و ارتعاشات چرخش ماشین های الکتریکی ممکن است باعث عدم تقارن  شفت و تخریب استاتور، روتور و بلبرینگ شود.

، به علت جریان فوکو و هیسترزیس [۱۱]، تفات در ترانسفورماتورهای قدرت افزایش می یابد، که متناسب با اثر فرکانس فرکانس هستند

۵-حذف هارمونیک ها و انواع فیلتر ها

هنگامی که بانک های خازنی برای تصحیح ضریب توان مورد استفاده قرار می گیرند ، یک جریان هارمونیکی قابل توجهی وارد بانک خازنی می شود. در این شرایط لازم است به طور موقت بانک خازنی خاموش شود  تا محل دقیق منابع هارمونیک مشخص شود.

در چنین حالتی از نصب و راه اندازی بانک خازنی، این نکته بسیار مهم است تا بررسی کنیم که آیا خطر تشدید هارمونیک ناشی از هارمونیک های بانک خازنی وجود دارد. این اولین قدم برای پیدا کردن راه حل صحیح جبران هارمونک ها است.

پس از تایید وجود هارمونیک ها و در صورتی که مقدار THD بیش از حد تعریف شده توسط استاندارد IEC 61000-2-4 و / یا تعیین شده توسط شبکه باشد، باید یک راه حلی برای حذف یا کاهش هارمونیک ها پیدا کنیم؛ راه حل برای اجرا بستگی به ویژگی های نصب و راه اندازی دارد.

ساده ترین راه حل که در ولتاژ کم ولتاژ (V ≤ ۱ کیلوولت) استفاده می شود، استفاده از کویل های مسی است (شکل ۴ را ببینید) که به عنوان فیلتر فرکانس بالا عمل می کنند، جریان راه اندازی یکسو کننده ها را محدود می کند و مانع تداخل متقابل می شود.

اندوکتانس ( L ) هر فاز با این معادله محاسبه می شود :

• ΔV_L افت ولتاژ داخلی راکتانس می باشد[٪]
• V_n ولتاژ فاز به فاز شبکه می باشد[V]
• f_n فرکانس اصلی شبکه [Hz]
• I_n جریان [A]

در شبکه ها و تاسیسات  با آلودگی الکتریکی بالا (سطح هارمونیک بالا)، که در آن G_h/S_n > 60%  (G_h  قدرت ظاهری تمام بارهای غیر خطی که باعث تولید هارمونیک است و S_n  قدرت ظاهری تمام ترانسفورماتورهای بالا دست متصل به همان باس جایی که بارها متصل هستند. توصیه می شود برای نصب فیلترهای هارمونیک مانند حالت نشان داده شده در شکل ۵ عمل کنید

جبران هارمونیک ها می تواند متمرکز باشد، با فیلترهای هارمونیک متصل شده در تابلو ورودی اصلی، یا غیر متمرکز یا محلی که در این روش نصب فیلترهای هارمونیک نزدیک به تجهیزات است که منابع اصلی هارمونیک هستند. هر دو راه حل در شکل ۶ نشان داده شده است.

فیلترهای هارمونیک به سه دسته تقسیم می شوند:

۵-۱-فیلترهای پسیو(Passive filters)

• این نوع فیلتر ها توسط مدارهای سری LC ساخته شده اند که برای هر یک از فرکانس هایی طراحی شده اند که قرار است فیلتر هارمونیکی برای آن فرکانس ها انجام شود که معمولا ۵، ۷ و ۱۱ می باشد. ویژگی های اصلی آنها عبارتند از:
• هیچ محدودیتی برای حذف جریان هارمونیکی در حال حذف وجود ندارد.
• آنها اصلاح ضریب توان را انجام می دهند.
• وقتی تغییرات در شبکه وجود دارد، ریسک افزایش هارمونیک ها تقویت می شود.
• به علت آلودگی الکترومغناطیسی خارجی ، خطر اضافه بار وجود دارد.

۵-۲-فیلترهای فعال(Active Filters)

این نوغ فیلتر ها از قسمت های  الکترونیکی و میکرو پردازشی تشکیل شده اند، کنترل هارمونیکهای مرتبه   ۲nd تا ۵۰th را دارند؛ برای هر محدوده فرکانسی در این نوع فیلتر یک جریان تولید می شود که دارای تغییر فاز ۱۸۰ درجه و در همان مقدار جریان هارمونیکی است که باید جبران شود لذا هارمونیک مورد نظر حذف می شود.

این نوع فیلترها با تغییرات شبکه، بارها و محدوده هارمونیک سازگار است، مخصوصا برای جبران غیر  مرکزی یا محلی مناسب است.

۵-۳-فیلترهای ترکیبی(Hybrid filters)

این  نوع فیلتر هاترکیبی از فیلترهای فعال و غیر فعال است، کنترل هارمونیک در محدوده بین مرتبه   ۲nd to 25th  را انجام می دهند، و همچنین انجام اصلاح ضریب توان نیز انجام می دهند

خوب است بدانید:

[۱] کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک IEC  International Electro technical Comission.

[۲] سازگاری الکترومغناطیسی(Electromagnetic compatibility ): به عنوان توانایی کار کردن به طور صحیح تجهیزات الکتریکی در یک محیط الکترومغناطیسی تعریف می شود بدون اینکه دستگاه مورد نظر هر نوع اختلالات الکترومغناطیسی در سایر تجهیزات و سیستم هایی که ممکن است در آن محیط وجود داشته باشد ایجاد کند، تعریف می شود.

[۳] سری فوریه(Fourier series ) یک ثری مثلثاتی همگرا است که برای نشان دادن توابع با مجموعه ای از توابع سینوسی استفاده می شود.

[۴] برای مقادیر R_K  و X_K  در شبکه های معمول یک تقریب، R_K/X_K = ۰٫۱ در نظر گفته می شود و معادله

Z_K = √(R_K²+X_K²)

[۵] تعریف کلاسها، رونویسی از استاندارد IEC 61000-2-4 است.

[۶] PCC: نقطه ای از شبکه برق عمومی که از نظر الکتریکی نزدیک به یک بار خاص است، که در آن نقطه سایر بارها وجود دارند یا می توانند متصل شوند.

[۷] IPC: نقطه روی شبکه درون یک سیستم و یا تاسیسات الکتریکی، که از نظر الکتریکی به یک بار خاص نزدیک است که در آن نقطه سایر بارها وجود دارند یا می توانند متصل شوند.

[۸] سطح سازگاری(Compatibility level ) سطح اختلال الکترومغناطیسی تعریف می کند که به عنوان یک سطح مرجع در یک محیط مشخص برای هماهنگی در تنظیم محدودیت ها  انتشار و ایمنی اختلالات الکترو مغناطیسی تعریف می کند.

[۹] بار غیر خطی باری نامیده می که امپدانس آن با ولتاژ اعمال شده تغییر می کند.

[۱۰] اثر پوستی (Skin effect ) ییک پدیده است که می توسط دفع جریان الکترومغناطیسی تعریف می شود که نتیجه آن این است که جریان فقط تمایل دارد در سطح بیرونی هادی حرکت کنید

[۱۱]  هیستر زیس (Hysteresis ) چیزی است که در آن هنگامی که میدان مغناطیسی به مواد فرو مغناطیسی، به عنوان مثال هسته ترانسفورماتور اعمال می شود، ماده به طور دائم مغناطیسی باقی می ماند، حتی اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد.

 

منبع: سایت ماه صنعت