کاربرد پاورآنالایزرها و هارمونیک چیست؟
در دنیای امروز که انرژی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار می باشد باید درجهت استفاده صحیح و ذخیره سازی آن به شکل شایسته ای فرهنگ سازی نمود.
پاورآنالایزرها و هارمونیک آنالایزر ها نقش بسیار مهمی را جهت تست ها و بازرسی های دوره ای از پست های برق و شبکه های الکتریکی فشار ضعیف و متوسط ایفا می‌کنند.
در این میان نیروی برق بعنوان یکی از اصلی ترین منابع انرژی مورد مصرف بشر، از جایگاه ویژه ای برخوردار است. با توجه به هزینه های هنگفت تولید و انتقال این نوع از انرژی با کیفیت مطلوب می بایست درجهت اصلاح و بهبود کیفی و کمی شبکه های توزیع آن قدم برداشت.
توان راکتیو را در شبکه های توزیع برق می بایست حذف نمود تا خروجی موثری از توان اکتیو را در شبکه به جریان انداخت و در نتیجه ضمن استفاده از بیشترین ظرفیت شبکه، تلفات سیستم را به حداقل رساند.
جبران سازی گروهی به وسیله پاور آنالایزر ها
در این روش برای چند مصرف کننده که همزمان و کنار یکدیگر کار می کنند، یک خازن بزرگ نصب می شود.
چون این نوع جبران حالت خاصی از جبران سازی موضعی است، مزایای روش قبلی را دارا است به اضافه اینکه به خاطر کاهش تعداد خازن ها ومراحل نصب، هزینه آن اقتصادی تر است.
بزرگترین ایراد این روش به غیر از هزینه نسبتاً بالا، در مواردی است که مصرف کننده ها با هم و گروهی کار نکنند. در این حالت جبران سازی اشتباه صورت گرفته و بار راکتیو به صورت خازنی در مدار ظاهر می شود.
جبران سازی مرکزی
در این روش خازن کلاً در ورودی سیستم نصب و به پله های کوچک تقسیم شده است. یک رگولاتور، ضریب قدرت شبکه را کنترل کرده خازن مورد نیاز را محاسبه و وارد شبکه می نماید. این روش تقریبا همه جا قابل استفاده است. مزایای این نوع جبران سازی عبارتند از، نصب ساده، کنترل ساده، استفاده بیهنه از خازنهای نصب شده و انعطاف پذیری نسبت به تغییرات بار. عمده ترین ایراد این روش عدم جبران سازی داخل شبکه مصرف کننده است.
محاسبات و فرمول ها
- توان ظاهری در شبکه سه فاز
- توان اکتیو شبکه سه فاز
- توان راکتیو شبکه سه فاز
- جریان خازن تک فاز
- جریان خازن سه فاز
- توان خازن تک فاز
- توان خازن سه فاز مثلث
محاسبه خازن موردنیاز در شبکه
برای محاسبه خازن مورد نیاز در شبکه مقدار توان اکتیو و ضریب قدرت شبکه مورد نیاز است.
توان خازنی مورد نیاز از رابطه زیر بدست می آید.
مقدار ضریب k را می توان از جدول پیوست هم بدست آورد. برای استفاده ازجدول محل تلاقی سطر مربوط به ضریب قدرت فعلی شبکه و ستون مبوط به ضریب قدرت مورد نظر ضریب k را بدست می دهد.
هارمونیک ها
جهان امروز، نیازمند پروسه های اتوماتیک، سریعتر و قابل انعطاف تری است و این به منزله آن است که مدارات کنترلی باید هر چه بیشتر در دستگاهها نصب شوند. مدارات قدیمی با کنتاکتور کنترل می شدند حال آنکه امروزه کلیه کنترل ها توسط نیمه هادی ها صورت می گیرد. همچنین نیاز به منبع تغذیه دائمی در نقاط حساسی مثل بانک ها، بیمارستان ها، مراکز حفاظتی و استفاده روز افزون از منابع تغذیه دائمی UPS را موجب شده است.
ویژگی اصلی قطعات نیمه هادی (مثل دیود-
تریستور یا SCR،
ترانزیستور، IGBT، GTO و...) تغییر شکل و فرم جریان است. چنانچه توان مصرفی در هر دو بار یکسان باشد، جریان موثر دربار معوج به طرز محسوس بیشتر از بار صاف و بدون اعوجاج است.
محاسبات ریاضی (سری فوریه) اثبات کرده که یک موج غیر سینوسی متناوب، قابل تجزیه به امواج سینوسی با فرکانس های مضرب فرکانس اصلی موج است. به عبارت دیگر هر موج غیر سینوسی متناوب از جمع تعدادی موج سینوسی با فرکانس های موج اصلی و مضارب آن تشکیل می شود.
اندازه موج اصلی را بنا بر قرارداد و به عنوان پیش فرض 100% در نظر گرفته و دامنه بقیه بر مبنای آن و بصورت درصد بیان می شوند.
شکل موج دارای اعوجاج، به تنهایی اطلاعاتی در مورد هارمونیک ها به دست نمی دهد، آنچه که طراح را در مورد آنالیز هارمونیک ها یاری می کند نمودار طیف هارمونیک ها است.
دستگاه های اندازه گیری معمولی قادر به اندازه گیری هارمونیک ها نیستند، اندازه گیری د سیستم های هارمونیک توسط دستگاه های
True RMS قابل انجام است. همچنین اندازه گیری طیف فرکانس ها توسط متخصصین و با استفاده از دستگاه های پاور آنالایزر انجام می گیرد.
عمومی ترین تولید کننده های هارمونیک و پاور آنالایزر
همانطور که ذکر شد بارهای غیر خطی تولید کننده هارمونیک هستند، شایع ترین تولید کننده های هارمونیک عبارتند از:
- UPS
- کنترل کننده دور موتورAC
- کنترل کننده موتور DC
- مبدل فرکانس
- دیمر روشنایی
- اینورتر
- شارژر باتری
- کوره قوسی
- دستگاه جوش قوسی
- دستگاه جوش مقاومتی
- بالاست الکترونیکی
- منبع تغذیه سوئیچینگ
- کوره القائی
مشکلات ناشی از هارمونیک و پاور آنالایزرها
صنایع بسته به نوع، تعداد و مقدار هارمونیک های تولید شده توسط بار، مشکلات خاص خود را دارا هستند.
مشکلات عمومی ناشی از هارمونیک ها در شبکه عبارتند از:
- گرم شدن بیش از حد هادی ها
- قوی و ضعیف شدن نور لامپ های فلورسنت
- خرابی خازن ها
- خراب یا گرم شدن بیش از حد ترانسفورماتورها
- چشمک زدن لامپهای گازی
- عمل کردن فیوزهای اوماتیک
- سوختن فیوز بدون دلیل ظاهری
- خرابی موتورها یا گرم شدن بیش از حد آن ها
- تداخل در ارتباطات راه دوره
- تداخل خطوط تلفن
- خرابی دستگاه های اندازه گیری
- گرم شدن بیش از حد کلیدها
- قفل کردن کامپیوترها
امروزه بیشترین دغدغه الکتریکی صنعت، مقابله با هارمونیک ها و تبعات آن است.
خطرات هارمونیک برای خازن ها وراه مقابله با آن
با توجه به رابطه جریان خازن (مشاهده می شود که در شرایط ولتاژ یکسان، افزایش فرکانس به افزایش جریان خازن منتهی می شود به عنوان مثال چنانچه دامنه ولتاژ هارمونیک پنجم 5% مولفه اصلی ولتاژ باشد، جریانی که در اثر این هارمونیک از خازن کشیده می شود 25% دامنه جریان اصلی است. بنابراین وجود هارمونیک ها در شبکه، صدمه جدی به خازن ها وارد می کنند.
بهترین راه جلوگیری از آسیب های وارده به خازن در سیستم های هارمونیکی نصب راکتور به طور سری با خازن است.
نصب راکتور بصورت سری با خازن، فرکانس رزونانس هر شاخه خازن را به مقدار دلخواه کاهش می دهد. این فرکانس بسته به هارمونیکها و اندازه آنان، جایی تنظیم می شود که بهترین نوع فیلترینگ صورت پذیرد. ترکیب سلف و خازن در فرکانسهای بالاتر از فرکانس رزونانس (fr) خاصیت سلفی و در فرکانس های پائین تر، خاصیت خازنی خواهد داشت. بنابراین اصلاح ضریب درت در فرکانس اصلی انجام می گیرد بدون آنکه فرکانس های بالاتر مزاحم کار خازن باشد.
انتخاب فرکانس رزونانس سری و ولتاژ خازن در شبکه های مختلف هارمونیکی
در شبکه هایی که THD جریان بیشتر از 10% و یا THD ولتاژ بیشتر از 2% (در حالت بدون خازن) باشد، نصب راکتور ضروری است.
اگر دامنه هارمونیک سوم جریان بیشتر از 20% هارمونیک پنجم جریان باشد، از راکتورهای هارمونیک سوم (14% = P) استفاده می شود. در غیر این صورت از راکتورهای هارمونیک پنجم (67/5% یا 7% = P) استفاده خواهد شد.
در حالت استفاده از راکتورهای هارمونیک پنجم، اگر THD ولتاژ کمتر از 7% باشد از راکتور 7% و اگر بیشتر باشد از راکتور 67/5% استفاده می شود.
در حالت نصب خازن بصورت سری با راکتور، ولتاژ اعمالی به خازن برابر خواهد بود.
بنابراین باید به این نکته توجه نمود که ولتاژ نامی خازن مورد استفاده در مدارات راکتور دار همیشه بیشتر از ولتاژ نامی شبکه خواهد بود. برای رسیدن به فرکانس تشدید طراحی شده، حتما باید از خازنی استفاده کرد که ظرفیت آن روی راکتور ثبت شده و یا در کاتالوگ آن ذکر شده است.
تکنولوژی ساخت خازن با فیلم های پلی پروپیلن متالیزه
استفاده از فیلمهای پلاستیک با ضخامت های بسیار کم (4 تا 12 میکرون) به عنوان عایق الکتریکی، تحول بزرگی از نظر فنی و اقتصادی در ساخت خازنهای فشار ضعیف ایجاد کرده است.
ضخامت بسیار پائین این فیلم ها موجب کاهش مواد مصرفی، حجم، وزن و قیمت خازن شده است.
تعاریف‌عمومی مطابق با استانداردهای خازن
- ولتاژ نامی(Un): مقدار موثر (r.m.s) ولتاژ متناوب که خازن برای کار در آن طراحی شده است.
- ظرفیت نامی (Cn): مقدار ظرفیتی که خازن برای آن طراحی شده است.
- جریان نامی (IN): مقدار موثر (r.m.s) جریان متناوب خازن در ولتاژ و فرکانس نامی
- فرکانس نامی (fn): بالاترین فرکانسی که خازن برای کار در آن طراحی شده است.
- تلفات خازن: توان اکتیو مصرفی توسط خازن
دستگاه های اندازه گیری (دستگاه هارمونیک و پاور آنالایزر)
هر یک از قطعات فرعی (پوش باتن ها، لامپ سیگنال، فن) و حتی کلید اصلی بسته به طراحی و مورد مصرف و محل نصب بانک قابل حذف هستند. همچنین ممکن است در طراحی برخی بانک های خازن قطعات دیگری نیز در نظر گرفته شوند.
رگولاتور
رگولاتور ضریب قدرت، مرکز تصمیم گیری و در واقع مغز متفکر بانکهای خازنی اتوماتیک است. موفقیت یک رگولاتور در انجام اصلاح ضرب قدرت به 6 عامل اصلی بستگی دارد.
- طراحی سخت افزاری دقیق
- استفاده از قطعات مرغوب
- نرم افزار مناسب با الگوریتم کنترل صحیح
- استفاده از ابزار نمونه گیری دقیق برای ارسال نمونه های ولتاژ و جریان
- نصب صحیح
- تنظیمات درست
با توجه به تجربه و توان تولیدی متخصصین ایتالیایی 3 عامل اول در طراحی و ساخت رگولاتورهای PKC لحاظ شده است و با اطلاعاتی که به هنگام خرید به مشتری داده می شود و همچنین سرویس دهی واحد خدمات مشتریان شرکت، عوامل بعدی نیز در هنگام نصب و راه اندازی مورد نظر قرار می گیرند.
کنتاکتور خازنی
ماهیت الکتریکی خازن، در لحظه سوئیچینگ اتصال کوتاه است به عبارت دیگر هنگام وصل به شبکه، جریان هجومی بسیار بزرگی از خازن عبور می کند. این جریان علاوه بر تاثیرات تخریبی روی خازن باعث خال زدن و در بعضی موارد جوش خوردن پلاتین های کنتاکتور می شود و خرابی پلاتین های کنتاکتور، خود اثر تخریبی مضاعف بر روی خازن دارد. همچنین هنگام وصل خازن به مدار، خازنهای دیگری که قبلاً وارد مدار شده اند، در یک لحظه در خازن جدید تخلیه شده و جریان بزرگی به صورت لحظه ای پدید می آید.
برای رفع چنین حالتی راه حل های متفاوتی ارائه شده که رایج ترینف ارزان ترین و راحت ترین آن استفاده از کنتاکتورهای مخصوص خازن است.
روی کنتاکتورها یک سری کنتاکت کمکی نصب شده است که توسط سیم های مقاومتی به کنتاکت های اصلی وصل شده اند.
این کنتاکتورها از نظر مکانیکی طوری ساخته شده اند که کنتاکت های کمکی قبل از کنتاکت های اصلی بسته می شوند و شارژ اولیه خازن از طریق مقاومتها صورت گرفته و جریان آن محدود می شود. بعد از بسته شدن کنتاکت های اصلی، کنتاکت های کمکی از مدار خارج شده و تغذیه خازن از طریق کنتاکت های اصلی صورت می پذیرد.
موارد کاربرد بانکهای اتوماتیک خازنی
بانکهای اتوماتیک خازنی سری PAB/C1 در جهت اصلاح ضریب قدرت شبکه فشار ضعیف در موارد زیر اسفتاده میشود:
- کارخانجات بزرگ
- کارگاههای کوچک
- مصرف کننده های تجاری و فروشگاهها
- هتلها
- ساختمان های اداری
- مجتمع های مسکونی و تجاری
- بیمارستان ها
مزایا
هوشمند بودن رگولاتور باعث پخش بار بین پله های مختلف شده و از فشار روی یک پله کاسته می شود.
قابلیت نشان دادن جریان، ولتاژ، ضریب قدرت، توان پله اول، مقدار بار راکتیو مورد نایز روی صفحه نمایش رگولاتور.
دارای هشدارهای افزایش یا کاهش ولتاژ و جریان و همچنین اصلاح ضریب قدرت بیشتر از حد تعیین شده با وجود خروج کلیه پله ها از مدار و کمتر ازحد تعیین شده با وجود وارد شدن کلیه پله ها به مدار
استفاده از کنتاکتور خازنی که باعث کاهش جریان لحظه وصل خازن و در نتیجه افزایش طول عمر آن می شود.
نصب ساده و مستقل از معکوس بستن فازها یا ترانس جریان
حجم و وزن کمتر در مقایسه با سایر بانک های اتوماتیک
ضمانت کلیه قطعات اصلی شامل خازن ها، کلید اصلی، رگولاتور، کنتاکتور، پایه فیوز و کابینت تابلو
در قدرتهای بالا عمل خنک کردن تابلو توسط یک فن انجام می گیرد.
در صورت بیشتر بودن هارمونیک ازحد مجاز تعیین شده، بانک های خازنی مخصوص مجهز به راکتور مورد استفاده قرار می گیرند. برای تعیین وضعیت هارمونیکی شبکه با واحد خدمات مشتریان PKC تماس بگیرید.
نصب ساده
نصب این رگولاتور بسیار ساده بوده به نحوی که نمونه ولتاژ را از مدار تغذیه برداشته و فقط نیاز است که ترانس جریان (CT) روی فاز سوم (که به عنوان تغذیه استفاده نشده) نصب شود.
تنظیمات ساده
رگولاتور PRA برای اصلاح دقیق ضریب قدرت، نیاز به اطلاعاتی در مورد بانک خازن و شبکه دارد. اطلاعات در 5 مرحله و با کدهای P01 تا P05 به رگولاتور وارد می شوند. این اطلاعات عبارتند از :
- اولیه ترانس جریان
- توان مبنا برای پله ها
- ولتاژ نامی خازن ها
- زمان تخلیه هر خازن
- ضریب هر پله به نسبت توان مبنا (بند2)
راکتورهای حذف هارمونیک
امروزه با افزایش سیستم های اتوماسیون در کلیه رشته های تولیدی و خدماتی، استفاده از عناصر نیمه هادی در مدارات کنترل به جای رله ها، افزایش چمشگیری یافته است. عمده ترین مشخصه این قطعات، تغییر شکل موج سینوسی برق شهر و تبدیل آن به موج هایی است که شکل سینوسی نداشته ولی دارای تناوب هستند.
محاسبات ریاضی ثابت کرده که هر موج متناوب از مجموعه ای از امواج سینوسی با فرکانس اصلی موج و مضارب آن تشکیل شده است. موج با فرکانس اصلی را موج اصلی و سایر امواج را با توجه به فرکانس آنها، هارمونیک می نامند.
مثلاً هارمونیک سوم، پنجم و ... به عبارت دیگر در یک شبکه با فرکانس 50 هرتز، هارمونیک سوم دارای فرکانس 150 و هارمونیک پنجم فرکانس 250 هرتز خواهد داشت.
از آنجا که امپدانس خازن نسبت عکس با فرکانس موج دارد، در هارمونیک ها، امپدانس کمتری داشته و جریان بالاتری ز آن می گذرد که باعث خرابی زود هنگام خازن می شود. در شرایطی که فرکانس رزونانس خازن با شبکه، نزدیک به فرکانس یکی از هارمونیکها شود، شرایط بسیار حادتر خواهد بود.
به منظور رفع چنین مشکلی از یک راکتور به طور سری با خازن استفاده می شود. ترکیب سری یک راکتور با خازن، فرکانس رزونانس شاخه را به میزان طراحی شده کاهش می دهد و این ترکیب عملاً معادل یک فیلتر عمل نموده که در فرکانس های پائین خاصیت خازنی و در فرکانس های بالا خاصیت سلفی دارد.
چنین خاصیتی از خرابی زود هنگام خازن جلوگیری می کند.
مزایای استفاده از راکتورهای حذف هارمونیک
- کاهش اضافه جریان د زمان قطع و وصل بانک خازن
- کاهش اضافه بار خازن در اثر هارمونیک ها
- عمر بیشتر خازن
- کاهش حرارت ایجاد شده در کابل ها
- کاهش حرارت ایجاد شده در ترانسفورماتور
- حذف عمل کردن بی مورد مدارهای حفاظتی
- حذف اعوجاج شکل موج ولتاژ
نکات مهم در استفاده از راکتورهای حذف هارمونیک
خازن و راکتور حتما باید با هم هماهنگ باشند یعنی ظرفیت خازن دقیقا معادل مقدار ذکر شده در جداول باشد.
راکتورها حرارت زیادی تولید می کنند به همین منظور سعی شود تا در ارتفاع بالاتر از خازنها قرار گرفته و تهویه مناسب برای آنها در نظر گرفته شود.
راکتورها حرارت زیادی تولید می کنند به همین منظور سعی شود تا در ارتفاع بالاتر از خازنها قرار گرفته و تهویه مناسب برای آنها در نظر گرفته شود.
بین راکتورها و بدنه تابلو و همچنین بین دو راکتور، حداقل فاصله ای بین 5 تا 7 سانتی متر در نظر گرفته شود.
انتخاب ظرفیت خازن بر مبنای موتور
موتورهای تک فاز
ظرفیت و ولتاژ خازن مورد نیاز در موتورهای تک فاز فقط به دور و گشتاور مطلوب بستگی ندارد، بلکه بیشتر از همه موارد به ساختمان موتور وابسته است. بنابراین روش خاصی جهت محاسبه دقیق خازن مورد نیاز وجود ندارد و می بایست به توصیه های سازندگان موتور عمل نمود.
موتورهای سه فاز با تغذیه تک فاز
خازن مورد نیاز برای راه اندازی موتورهای آسنکرون (القایی) سه فاز با تغذیه تک فاز معمولاً از روابط زیر محاسبه می شود.
- برای موتورهای v380 و Hz50، 22 میکرووفاراد به ازاء هر کیلو وات موتور
- برای موتورهای V220 و Hz50، 70 میکروفاراد به ازاء هر کیلو وات موتور