هارمونیک ها

HARMONICS

• اعوجاج هارمونیکی
به دلیل توسعه شبکه قدرت و استفاده گسترده از الکترونیک قدرت در تجهیزات، سطوح اعوجاج هارمونیکی در سال های اخیر افزایش یافته است. اعوجاج هارمونیکی یک مشکل رایج در نیروگاه ها و ادوات مرتبط با آن است. به طور معمول مبدل های الکتریکی – استاتیکی سبب اعوجاج هارمونیکی می شوند که ازجمله آن ها می توان به درایو سرعت متغیر موتور ها، سافت استارتر ها، یکسو کننده ها و سیستم های UPS اشاره کرد. هارمونیک ها باعث می شوند کابل ها و ترانسفورماتور ها در دمای بالاتری از حد مجاز کار کنند و سبب تریپ بریکر ها شوند و رایانه ها و تجهیزات ارتباطی به درستی عمل نکنند.
• 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.
• اضافه جریان در خازن ها: تشدید
در عمل، بیشتر مبدل های استاتیکی به توان راکتیو نیاز دارند که از طریق خازن ها این جبران سازی انجام می شود. وقتی تجهیزات جبران کننده 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.
• 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.
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. جریان هارمونیکی که توسط مبدل استاتیکی تولید می شود، بین هر دو شاخه موازی در مدار تقسیم می شود که امپدانس ایجاد شده در این مرتبه هارمونیکی وابسته است.
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. 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.
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 جریان های هارمونیکی مبدل استاتیکی برابر یا بسیار نزدیک به فرکانس رزونانس مدار موازی باشد جریان انتقال بین شاخه ها بسیار بالا است و به تجهیزات نصب شده می تواند آسیب جدی وارد شود.
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.
جریان های هارمونیکی روی ولتاژ تأثیر داشته و سبب تولید اضافه ولتاژ روی خازن می شود و برای هر یک از هارمونیک هایی که خازن جذب می کند، می تواند از طریق فرمول زیر محاسبه شود:
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:
جریان هارمونیک
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 بگیرد. وقتی این اتفاق می افتد که:
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:
مرتبه جریان هارمونیک
• 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 در بار هایی 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 ترانسفورماتور ها، توان اتصال کوتاه شبکه باشد . همچنین مانیتورینگ جریان های بار های تولیدی هارمونیک در یک مدت معقول ضبط می شوند.
• Solutions
To find the best solution for power factor correction equipment in an installation with loads generating harmonics, it is neccesary 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.
به دلیل اینکه یافتن تمام این اطلاعات مشکل می باشد، رایج ترین عملکرد و ساده ترین راه تنها مطالعه بر روی دو پارامتر است: توان بار های مصرفی که هارمونیک تولید می کنند و مقدار توان تغذیه ترانسفورماتور .
نتیجه این بررسی ها و در نظر گرفتن هدف نهایی که بعضی از این اهداف می تواند اصلاح ضریب توان کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی و… باشد، برخی از این راه حل ها می تواند این گونه صورت گیرد:
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:

خازن‌ های تقویت‌ شده (R460)

Reinforced capacitors (R460)

در زمانی که سطح اعوجاج جریان هارمونیکی هر چند به مقدار نا چیز وجود داشته باشد کافیست تا اضافه بار خطرناکی ایجاد کند که از مقدار مجاز تعریف شده در استاندارد IEC بیشتر باشد، از خازن های تقویت شده استفاده می شود. 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.
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 overvoltage value 1.15 Un.

فیلترهای حفاظتی

Protection filters

وقتی که هدف اصلی جبران سازی توان راکتیو در فرکانس اصلی باشد، در شبکه های تغذیه که سطح اعوجاج هارمونیکی بالایی دارند از فیلتر حفاظتی استفاده می شود.
هدف از این کار جلوگیری از ورود اضافه جریان هارمونیکی به مدار خازن می باشد که این امر با انتقال جریان هارمونیکی به مدار اصلی صورت می گیرد. 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.
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.

فیلترهای هارمونیکی

Harmonic filters

این فیلترها زمانی استفاده می شوند که هدف اصلی کاهش اعوجاج هارمونیکی موجود در سیستم تغذیه الکتریکی می باشد.
These filters are used when the main objective is to reduce the harmonic distortion in the supply system.
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 درنتیجه خرابی ترانسفورماتور ها و موتور ها
• خطا عمل کردن فیوز حفاظتی به دلیل گرم شدن بیش ازحد
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.
فهرست