• اعوجاج هارمونیکی
به دلیل توسعه شبکه قدرت و استفاده گسترده از الکترونیک قدرت در تجهیزات، سطوح اعوجاج هارمونیکی در سال‌های اخیر افزایش‌یافته است. اعوجاج هارمونیکی یک مشکل رایج در نیروگاه‌ها و ادوات مرتبط با آن است. به طور معمول مبدل های الکتریکی – استاتیکی سبب اعوجاج هارمونیکی می شوند که از جمله آنها می توان به درایو سرعت متغیر موتورها، راه اندازهای نرم، یکسو کننده ها و سیستم های UPS اشاره کرد. هارمونیک ها باعث می شوند کابل‌ها و ترانسفورماتورها در دمای بالاتری از حد مجاز کار کنند و سبب تریپ بریکر ها شود و رایانه ها و تجهیزات ارتباطی به درستی عمل نکنند.
• اضافه جریان در خازن‌ها: تشدید
در عمل، بیشتر مبدل‌های استاتیکی به توان راکتیو نیاز دارند که از طریق خازن‌ها این جبران سازی انجام می‌شود. وقتی تجهیزات جبران‌کننده توان راکتیو برای استفاده در مبدل های تولید کننده هارمونیک نصب می شوند، حالت رزونانس و تشدید ، سبب هارمونیک های ولتاژی و جریانی بالایی می شود و می تواند هم به خازن ها و هم به تجهیزات نصب شده آسیب وارد کند
وقتی فرکانس افزایش می یابد، امپدانس خازن کاهش می یابد و یک مسیر با امپدانس کم برای جریان های هارمونیکی پدید می آید. این جریان ها به جریان مؤلفه اصلی جریان اضافه شده که می تواند باعث اضافه جریان خطرناک در خازن ها شود. خازن اصلاح ضریب توان در مدار به صورت موازی با اندوکتانس شبکه و ترانسفورماتور قرار می گیرد(شکل 3). جریان هارمونیکی که توسط مبدل استاتیکی تولید می شود، بر اساس اندازه امپدانس هارمونیکی دیده شده بین شاخه ها تقسیم می شود.
باید به این نکته اشاره کرد که جریان عبوری از خازن و شبکه می تواند نسبت به زمانی که از مبدل استفاده می شود بیشتر باشد و اندازه این جریان هارمونیکی به میزان نزدیکی به فرکانس رزونانس وابسته است. این حالت می تواند برای هر کدام از هارمونیک هایی که در یک مبدل تولید شود رخ دهد و باعث صدمه زدن به خازن شود. بدترین شرایط زمانی رخ می دهد که فرکانس تمامی هارمونیک های جریانی یکسان باشند یا در نزدیکی فرکانس تشدید در حالت مدار موازی قرار گیرند، جریان عبوری در هر دو شاخه نسبت به حالت عادی نصب شده بیشتر بوده و می تواند به دستگاه ها صدمه اساسی وارد شود.
جریان های هارمونیکی روی ولتاژ تأثیر داشته و سبب تولید اضافه ولتاژ روی خازن می‌شود و برای هرکدام از هارمونیک هایی که خازن جذب می کند، می تواند از طریق فرمول زیر محاسبه شود:
• Harmonic distortion
Harmonic distortion levels in the electric mains have been increasing in recent years because of the large development and use of power electronics. Harmonic distortion is nowadays a common problem in plants and facilities. It is often caused by static power conversion equipment, such as variable speed drives for motors, soft starters, rectifiers and UPS systems. Harmonic distortion can cause cables and transformers to overheat, circuit breakers to trip and computers and communication equipment to malfunction.
• Overcurrents in capacitors: resonance
In operation, most of the static converters, need reactive power that has to be compensated by capacitors. When reactive power compensation equipment is installed to be used with converters generating harmonics, resonance conditions can cause high harmonic voltages and currents that can damage both, capacitors and the electrical installation.
Impedance of the capacitors decreases when the frequency increases, presenting a low impedance path for harmonic currents. Those currents, added to the fundamental current, can produce dangerous overloads on the capacitors. Power factor correction capacitor forms a parallel circuit with the inductance of the supply network and the transformer (Fig. 3). Harmonic current generated by a static converter is divided between both branches of the parallel circuit, depending on the impedance presented by the circuit for this harmonic.
It should be pointed out that the current flowing through the capacitor and the network supply could be much higher than the one generated by the converter, depending on how near its harmonic frequency is to the resonance point of the parallel circuit. This could happen for each of the harmonic currents generated by the converter. This can be a damaging overcurrent for the capacitor. In the worst case, when the frequency of any of the harmonic currents of the static converter is the same, or near the resonance frequency of the parallel circuit, the current flowing through both branches become so great that the whole installation can be seriously damaged.
Harmonic currents also produce over-voltages that affect the total voltage applied to the capacitor. The current for each harmonic absorbed by the capacitor, can be calculated from the following equation:
این رابطه جریان هارمونیکی که از خازن عبور می کند را نشان می دهد که در بعضی مواقع می تواند بسیار شدید باشد.
بدترین حالت زمانی اتفاق می افتد که خازن و اندوکتانس شبکه در حالت مدار رزونانسی قرار بگیرند.
This equation shows that the harmonic currents flowing through the capacitor, can be very high in certain circumstances. The worst situation happens when the capacitor and the inductance of the supply network form a resonant circuit. This will happen when:
• راه حل ها
برای یافتن بهترین راه حل برای جبران سازی و اصلاح ضریب توان تجهیزات در نصب و راه اندازی، نیاز به بررسی جامع و دقیق داریم؛ به خصوص دربارهایی که هارمونیک تولید می کنند. از جمله این بررسی ها باید شامل شبیه سازی رایانه ای تمام تجهیزات نصب شده و اطلاعات جامع در مورد توان نامی تجهیزات و سطح اتصال کوتاه در سمت تغذیه ترانسفورماتورها، توان اتصال کوتاه شبکه باشد .
به لحاظ مشکل بودن یافتن تمام این اطلاعات، رایج ترین عملکرد و ساده ترین راه تنها مطالعه بر روی دو پارامتر است: توان بارهای مصرفی که هارمونیک تولید می کنند و مقدار توان تغذیه ترانسفورماتور .
نتیجه این بررسی ها و رسیدن به هدف که می تواند بعضی از این اهداف اصلاح ضریب توان کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی و… باشد، برخی از راه حل ها می تواند این گونه صورت گیرد:
خازن‌های تقویت‌شده (R460)
در زمانی که اعوجاج جریان هارمونیکی بیشتر از مقدار مجاز تعریف شده در استاندارد IEC باشد ،خازن های تقویت شده بکار می رود. این خازن ها با دی الکتریک تقویت شده تولید می گردند که در شرایط نامساعد مقاومت بیشتری دارند و می توانند در 1.7 برابر جریان نامی و اضافه ولتاژ تا 1.15 برابر ولتاژ نامی به کار خود ادامه دهند.
فیلترهای حفاظتی
وقتی که هدف اصلی جبران سازی توان راکتیو در فرکانس اصلی باشد، فیلتر های حفاظتی در شبکه قدرت برای جلوگیری از عوجاج شدید هارمونیکی در شبکه بکار می‌رود.
هدف از این کار جلوگیری از ورود اضافه جریان هارمونیکی به مدار خازن می باشد که این امر از طریق انتقال جریان هارمونیکی به مدار اصلی می باشد. فیلتر های حفاظتی با سری کردن یک راکتور با خازن ساخته می شود، این مقدار هماهنگی فرکانسی، مقداری بین فرکانس پایه و فرکانس کمترین هارمونیک موجود می باشد که معمولاً با پنجمین مرتبه هارمونیکی، تنظیم می شود.
فیلترهای هارمونیکی
این فیلترها زمانی استفاده می شوند که هدف اصلی کاهش اعوجاج هارمونیکی موجود در سیستم تغذیه الکتریکی می باشد.
مشکلات به وجود آمده به دلیل وجود هارمونیک:
• تداخل در ارتباطات مخابراتی
• اعوجاج در ولتاژ پایه
• اختلال در سیستم های پردازش الکترونیکی و داده ها
• کارکرد اشتباه سیستم کنترلی و رله های حفاظتی
• به وجود آمدن گرمای بیش از حد به دلیل تلفات در هسته و در نتیجه خرابی ترانسفورماتورها و موتورها
• خطا عمل کردن فیوز حفاظتی به دلیل گرم شدن بیش ازحد
• Solutions
To find the best solution for power factor correction equipment in an installation with loads generating harmonics, it is necessary to make an accurate analysis. Such analysis should include a computer simulation of the electrical installation and needs full information about the rated power and the short circuit voltage of the feeding transformer, the short circuit power of the network, and also monitoring of the currents of the loads generating harmonics, recorded during a reasonable period of time.
As all this information is sometimes difficult to find out, it is common practice to make a simplified study from only two values: the rated power of the feeding transformer and the power of the loads generating harmonics.
As a result of the analysis and taking into account the final objective of the project (purely power factor compensation, reduction of the harmonic distortion level, both, etc.), the possible solutions are the following:
Reinforced capacitors (R460)
Reinforced capacitors are used when the harmonic distortion level, even if reduced, is enough to produce dangerous overloads in the capacitors that exceed the safety values allowed by the IEC standards. These capacitors are manufactured with a reinforced dielectric, which provides high durability under very adverse conditions and could work continuously at a maximum current of 1.7 In or overvoltage value 1,15 Un.
Protection filters
Protection filters are used, in supply networks having a high level of harmonic distortion, when the final objective is reactive power compensation at the fundamental frequency.
Their purpose is to avoid that harmonic currents overload the capacitors by diverting them to the mains. Protection filters are made by connecting reactors in series with capacitors, in such a way that the tuning frequency of the whole unit is set at a value between the fundamental frequency and the frequency of the lowest present harmonic, which is usually the 5th order harmonic.
Harmonic filters
These filters are used when the main objective is to reduce the harmonic distortion in the supply system.
Problems caused by harmonics:
• Interferences in telecommunications
• Distortion on the mains voltage
• Disturbances in electronic and data processing systems
• Erratic operation of control and protection relays
• Failures in transformers and motors, due to overheating caused by losses on the core
• Overheating of protective fuses causes them to blow
