اهمیت فیلتراسیون هارمونیک در صنایع فولاد و وجود فیلتر هارمونیک

اهمیت فیلتراسیون هارمونیک در صنایع فولاد و وجود فیلتر هارمونیک

مقدمه

صنایع فولاد و آهن آلات یکی از مهمترین صنایع ما در هر کشوری است . اطمینان از بهره وری و کارکرد بدون وقفه این صنایع یکی از پر چالش ترین مباحث دنیای مهندسی و بخصوص در حوزه انرژی الکتریکی است. هرگونه ایجاد اختلال در سیستم الکتریکی صنایع فولاد منجر به قطع زنجیره تولید و در پی آن تحمیل خسارات سهمگین خواهد شد. زیرا انرژی الکتریکی به عنوان انرژی و نیروی پیشران این صنایع نقش اساسی را ایفا میکند و مانند لوکوموتیو قطار تولید است.

فرآیند های تولید فولاد شامل تجهیزات الکتریکی زیادی از جمله کوره های قوس الکتریکی، کوره های الکترودی، کوره های القایی اثر میدان و یکسو کننده ها میشود. این تجهیزات در حالی که برای فرایند تولید ضروری هستند، موجب تولید و ایجاد هارمونیک میباشند. این فرکانس های هارمونیکی ناخواسته که میتواند کیفیت برق را مختل کند و منجر به ایجاد مشکلات مختلفی مانند اعوجاج ولتاژ، خرابی تجهیزات و از همه مهم تر تلفات انرژی میشود.

“وجود هارمونیک در صنایع فولاد”
اهمیت فیلتراسیون هارمونیک در صنایع فولاد
در حوزه تولید فولاد، حفظ کیفیت بهینه توان برای اطمینان از عملیات تولید کارآمد و به حداقل رساندن زمان سرویس، تعمیر و افزایش طول عمر مفید تجهیزات، بسیار مهم است. زیرا هرگونه وقفه در فرآیند تولید و ایجاد اختلال بخصوص در صنایع فولاد منجر به تحمیل هزینه های بسیار زیاد خواهد شد. . طبیعتا عملکرد بی نقص و راندمان انرژی و بهینه بودن فرآیند کلی در این صنایع نقش اساسی را ایفا میکند. با این حال به دلیل ماهیت دینامیکی انرژی در فرآیند های تولید فولاد منجر به ایجاد مشکلات کیفیت توان مانند اعوجاج هارمونیکی، نوسانات ولتاژ و عدم تعادل ضریب توان میشود. این مسایل نه تنها عملکرد تجهیزات را به خطر می اندازد، بلکه منجر به افزایش مصرف انرژی و هزینه های عملیاتی می شود.
فرایند تولید فولاد در صنعت
;مرحله اول: فرآیند انتقال سنگ آهن و مواد اولیه با تناژ بالا به وسیله تسمه نقاله ها و کانوایر های توان بالا که، عموما نیروی پیشران این ساختار های انتقال مواد موتور های الکتریکی هستند، به وسیله درایو کنترل میشوند.

مرحله دوم: فرایند ذوب مواد اولیه که بصورت سنتی به وسیله کوره های سوختی صورت میگرفت که امروزه جای خود را با انواع کوره های الکتریکی عوض کرده اند. این نوع کوره ها که به چندین نوع تقسیم می شوند در یک کارخانه تولید فولاد بیشترین اختلال را در شبکه برق ایجاد میکنند و موجب کاهش کیفیت

توان میشوند.

پس از انجام فرایند ذوب، فولاد و یا هرنوع دیگری از فلزات وارد مرحله شکل دهی می شود که میتواند بر اساس نوع مواد تولیدی شکل های مختلفی مانند تولید بصورت ورق، میله، تیرآهن، شمش و غیره باشد که به صورت عموم شامل فرایند نورد آهن می باشد که این عملیات نیازمند نیروی زیادی است که منجر به شکل دهی فولاد می شود.

منابع شکل دهی فولاد
منبع این نیرو از موتور های الکتریکی تامین می شود و به دلیل نیاز به گشتاور بسیار بالا همراه سرعت و دقت بالا عموما از موتور های جریان مستقیم DC استفاده میشود، که گاها در سرعت

های بالا (10000 دور/دقیقه) کار میکنند. با اطلاع از این موضوع که جریان تامین کننده انرژی بصورت متناوب است، برای راه اندازی این موتور ها و همچنین کوره ها نیاز مند یکسو ساز های قدرت است که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل کند و به وسیله کلید زنی سوییچ های قدرت مانند تریستور ها، IGBT و ماسفت های این تجهیزات را کنترل کنیم.

این نوع عملیات و تغییرات در شکل انرژی الکتریکی که موجب کارکرد مورد نظر در موتور ها که شامل کنترل دور، گشتاور، استارت و استاپ های دقیق و چرخش به صورت چپ و راست گرد است و در کوره های الکتریکی شامل کنترل دقیق دما به وسیله کنترل انرژی ورودی به کوره القایی یا کنترل میزان جریان تزریقی در کوره های الکترودی که بصورت اتصال کوتاه کردن دو الکترودو با جریان بسیار بالا که منجر به ذوب می شود است.
سایر موارد استفاده از فولاد در صنعت
در کارخانه های تولید فلزات و در خط تولید به غیر از کوره ها و دستگاه های شکل دهی فلزات، تجهیزات متعدد دیگری مانند فرایند های کشش، قیچی، شانه های جابجا کننده قطعات و غیره وجود دارند که تمامی این بار های نیز بوسیله انواع موتور های الکتریکی القایی سنکرون، آسنکرون و جریان مستقیم کار و همچنین منابع تامین برق اضطراری که انرژی را در باتری ها ذخیره میکنند وجود دارد، که همگی این بار های بدون استثنا شامل کلید زنی الکترونیکی، یکسوسازی است. زیرا برای کنترل موتور های جریان مستقیم نیاز به مبدل های الکترونیک قدرت است که ابتدا با تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم و سپس با کنترل ولتاژ و جریان موتور های جریان مستقیم را کنترل میکنند، و در مورد موتور های القایی برای کنترل این موتور ها نیار به اینورتر است که بتواند ولتاژ و فرکانس متغییر را برای راه اندازی و کارکرد صحیح این موتور ها ایجاد کند، که خود این عملیات به وسیله کلید زنی انجام میشود.

دلایل استفاده از بارهای الکتریکی
در کارخانجات فولاد و فلزات معمولاً بیشتر دستگاه‌ها از کلیدزنی الکترونیکی استفاده می‌کنند و به ندرت دیده می‌شود که موتورها با استفاده از کنتاکتور راه‌اندازی شوند. این روش به دلیل نداشتن کنترل بر سرعت و گشتاور برای این نوع فرایندها مناسب نیست.

روش‌های جدید کنترل بارها با استفاده از مبدل‌ها و اینورترها، امکان تنظیم دقیق و انعطاف‌پذیری بالایی را فراهم می‌کنند. همچنین، فرآیندهای مدرن ذوب که با کوره‌های الکتریکی انجام می‌شوند، مزایای زیادی دارند و عملاً استفاده از کوره‌های سنتی توجیهی ندارد. با این حال، این روش‌های جدید مشکلاتی مانند ایجاد هارمونیک‌های مزاحم، نوسانات ولتاژ و عدم تعادل در جریان و ولتاژ را به همراه دارند که می‌تواند باعث بروز اختلالات و مشکلات مختلف شود.
مشکلات ناشی از وجود هارمونیک در سیستم برق صنایع فولاد

افرایش تلفات انرژی زیرا در اکثر فرایند های تولید و از همه مهم تر صنعت فولاد که مصرف انرژی بالایی دارد.
هزینه های تامین برق
وجود هارمونیک در سیستم که بوسیله تجهیزات موجود در خط تولید ایجاد میشود منجر به ایجاد اختلال در عملکرد بانک های خارنی موجود در تاسیسات خواهد شد.

وجود هارمونیک موجب کاهش عمر و حتی خرابی و انفجار خارن های موجود میشود.
وجود هارمونیک‌ها باعث کاهش عمر، خرابی و حتی انفجار خازن‌ها می‌شود. همچنین، این مشکل می‌تواند به تخریب عایق موتورهای صنعتی منجر شود که در نهایت اتصال کوتاه داخلی و خرابی موتور را به دنبال دارد. از آنجا که این موتورها قیمت بالایی دارند، تعویض آن‌ها هزینه زیادی خواهد داشت. علاوه بر این، خرابی هر موتور می‌تواند روند تولید را مختل کرده و خسارات مالی و حتی جانی به همراه داشته باشد.
یکی دیگر از مشکلات هارمونیک‌ها، اختلال در عملکرد سیستم‌های کنترلی و الکترونیکی است. هارمونیک‌های با مرتبه بالا می‌توانند روی عملکرد تجهیزات الکترونیکی مانند PLC‌ها و سیستم‌های کنترلی تأثیر گذاشته و حتی باعث خرابی آن‌ها شوند.
همچنین، هارمونیک‌ها بر دقت تجهیزات اندازه‌گیری مانند سنسورهای سرعت، حرکت و مجاورت تأثیر منفی می‌گذارند. این کاهش دقت در تجهیزاتی مانند خط تولید، که به‌صورت پیوسته و متصل به هم کار می‌کنند، می‌تواند مشکلات جدی در فرآیند تولید ایجاد کند.

راهکار های رفع مشکلات هارمونیک و افزایش کیفیت توان
یکی از راهکار های کاهش هارمونیک تولیدی توسط مبدل ها و اینورتر ها، استفاده از مبدل های 18 پالسه است که هارمونیک تولیدی ندارند ولی این نوع مبدل های قیمت بسیار بالایی دارند و تغییر مبدل های موجود با این مبدل های 18 پالسه هیچ توجیه اقتصادی ندارد و موجب تحمیل هزینه بسیار زیادی میشود، که این کار دور از عقل و از منطق اقتصادی کاملا غلط است.

فیلتر های هارمونیک اکتیو قیمت بسیار بالایی دارند و در کوره های القایی و صنایع سنگین مانند صنایع فولاد طراحی، نصب و حتی اجرای آنها مورد صرف هزینه زیاد است، از این رو فیلتر های هارمونیک پسیو هزینه بسیار کمتری دارند و با ادغام آنها با بانک های خارنی میتوان هزمان پروفایل توان را بهبود بخشید، بدین صورت که به همراه اصلاح ضریب توان و جلوگیری از جریمه مصرف توان راکتیو، هارمونیک های موجود در سیستم الکتریکی را نیزفیلتر کرد.

<وجود هارمونیک در صنعت فولاد

نتیجه گیری

امروزه با پیشرفت صنایع نیمه هادی و ساخت مبدل ها و انواع کوره های القایی برای صنایع فولاد که هارمونیک کمتری نسبت به گذشته تولید میکنند، همچنان هارمونیک تولید شده در صنایع فولاد و فلزات با استاندارد های موجود صنعت برق فاصله ی زیادی دارد و همواره نیاز به جبران سازی و فیلتر هارمونیک ها و افزایش کیفیت توان توسط بانک های فیلتر هارمونیکی است. و نمی توان کارخانه تولید فولادی را بدون فیلتر های هارمونیک متصور شد زیرا منجر به خسارات بسیار زیادی می شود که گاها منجر به توقف فرایند تولید می شود که جبران آن نیاز به صرف هرینه بسیار زیاد است.