هر شبکه الکتریکی و مشکلات آن با هارمونیک‌ها، حالت های گذرا یا اختلالات منحصر به فرد است و نیاز به برنامه‌ریزی دقیق، آماده‌سازی، اندازه‌گیری و در نهایت درک محل مشکل دارد.
آنالیز هارمونیک
آنالیزگرهای هارمونیک یا مترهای هارمونیک ابزارهای نسبتاً ساده‌ای برای اندازه‌گیری و ثبت داده‌های اعوجاج هارمونیک هستند. به طور معمول، آنالیزگرهای هارمونیک شامل یک اندازه گیر با صفحه نمایش شکل موج، کابل‌های ولتاژ و پروب‌های جریان می‌باشند. برخی از آنالیزگرها قابل حمل هستند و برخی دیگر برای استفاده روی میز طراحی شده‌اند. برخی از این ابزارها یک تصویر فوری از شکل موج و اعوجاج هارمونیک مربوط به لحظه‌ای که اندازه‌گیری انجام می‌شود، ارائه می‌دهند. ابزارهای دیگر قادر به ضبط تصاویر فوری و همچنین ثبت مداوم اعوجاج هارمونیک در طول زمان هستند.
بزرگ‌ترین فرکانس هارمونیکی که باید در اندازه‌گیری‌ها گنجانده شود چیست؟
طبق تجربیات سانکاران (نویسنده کتاب “کیفیت قدرت”)، اندازه‌گیری تا هارمونیک ۲۵ برای نشان دادن ترکیب شکل موج کافی است. آنالیزگرهای هارمونیک از تولیدکنندگان مختلف معمولاً قابلیت اندازه‌گیری فرکانس‌های بالاتر متفاوتی دارند.
سطوح اعوجاج هارمونیک به طور قابل توجهی با شماره هارمونیک کاهش می‌یابند. برای تعیین دقیق محتوای فرکانسی، فرکانس نمونه‌برداری باید برابر یا بیشتر از دو برابر فرکانس بالاترین هارمونیک مورد نظر باشد. این قاعده به عنوان معیار فرکانس نایکوئیست شناخته می‌شود.
طبق معیار نایکوئیست، برای تعیین دقیق محتوای فرکانسی یک شکل موج با فرکانس بنیادی ۵۰ هرتز تا هارمونیک ۲۵، دستگاه اندازه‌گیری هارمونیک باید حداقل نرخ نمونه‌برداری ۲۵۰۰ (۲۵ * ۵۰ * ۲۵) نمونه در ثانیه داشته باشد.
البته؛ نرخ‌های نمونه‌برداری بالاتر به طور دقیق‌تری شکل موج واقعی را منعکس می‌کنند. اندازه‌گیری داده‌های هارمونیک ولتاژ نیاز به کابل‌هایی دارد که می‌توانند به نقاطی که اندازه‌گیری‌های اعوجاج مورد نیاز است، متصل شوند. طول کابل‌های ولتاژ معمولاً بین ۱۲۰ تا ۱۸۰ سانتی‌متر است. از آنجا که بالاترین فرکانس مورد نظر در محدوده ۱۲۵۰ تا ۲۵۰۰ هرتز (هارمونیک ۲۵ تا ۵۰) قرار دارد؛ بنابراین، هیچ کاهش قابل توجهی در اعوجاج نباید توسط کابل‌ها در داده‌های اعوجاج ولتاژ ایجاد شود.
پروب‌های جریان با هسته آهنی در فرکانس‌های بالا به خطای بیشتری حساس هستند و در جریان‌های بالاتر از مقادیر نامی دچار اشباع می‌شوند. قبل از نصب پروب‌های جریان برای آزمون‌های اعوجاج هارمونیک، ضروری است که اطمینان حاصل شود که پروب‌ها برای استفاده در فرکانس‌های بالا مناسب هستند و بدون کاهش قابل توجهی در دقت عمل می‌کنند.
تولیدکنندگان داده‌هایی را به عنوان دامنه فرکانسی قابل استفاده برای پروب‌های جریان ارائه می‌دهند. این پروب در فرکانس‌های بین ۵ هرتز تا ۱۰ کیلوهرتز برای حداکثر میزان جریان ۵۰۰ آمپر RMS کاربردی است.
باید درک شود که حتی اگر پروب‌ها برای استفاده در فرکانس‌های بالاتر رتبه‌بندی شده باشند، همراه با آن کاهش دقت در داده‌ها نیز وجود دارد. هدف این است که کاهش دقت را تا حد ممکن پایین نگه‌داریم. در فرکانس‌های بالاتر، جریانات و اعوجاج‌هایی که معمولاً مورد بررسی قرار می‌گیرند، به طور قابل توجهی کمتر از فرکانس‌های پایین‌تر هستند و برخی از کاهش دقت در فرکانس‌های بالاتر ممکن است چندان مهم نباشد.
به طور معمول، ممکن است انتظار یک کاهش ۵.۰٪ در دقت وجود داشته باشد، به خصوص زمانی که شکل موج حاوی سطوح قابل توجهی از هارمونیک‌های مرتبه بالاتر باشد.
نکته‌ای که قابل توجه است این است که هارمونیک‌ها به عنوان درصدی از ارزش کل RMS نشان داده می‌شوند. کنوانسیون IEEE هارمونیک‌ها را به عنوان درصدی از مؤلفه بنیادی ارائه می‌دهد. استفاده از کنوانسیون IEEE منجر به مقادیر درصدی بالاتر برای هارمونیک‌ها خواهد شد. در واقع، مهم نیست که از کدام کنوانسیون استفاده شود، به شرطی که در طول کل پروسه همان کنوانسیون حفظ شود.
شکل زیر شکل موج جریان و سوابق تاریخی جریان در پنل را در طی ۵ روز ارائه می‌دهد. تصاویر اعوجاج هارمونیک همراه با نمودار تاریخی، در تعیین ماهیت هارمونیک‌ها و الگوی وقوع آن‌ها بسیار مفید هستند.
آنلایز تداخلات حالت گذرا
تحلیل‌گرهای اختلالات گذرا دستگاه‌های پیشرفته‌ای برای جمع‌آوری داده‌ها هستند که برای ضبط، ذخیره و ارائه اختلالات سیستم قدرت با مدت زمان کوتاه و زیرچرخه طراحی شده‌اند. همان‌طور که انتظار می‌رود، نرخ‌های نمونه‌برداری برای این ابزارها بالا است.
غیرمعمول نیست که ضبط‌کننده‌های اختلالات گذرا دارای نرخ‌های نمونه‌برداری در محدوده ۲ تا ۴ میلیون نمونه در ثانیه باشند. نرخ‌های نمونه‌برداری بالاتر دقت بیشتری در توصیف رویدادهای گذرا از نظر دامنه و محتوای فرکانسی فراهم می‌کند. هر دو این ویژگی‌ها برای انجام تحلیل‌های گذرا ضروری هستند.
دامنه شکل موج اطلاعاتی درباره پتانسیل آسیب به تجهیزات تحت تأثیر ارائه می‌دهد. محتوای فرکانسی به ما می‌گوید که چگونه رویدادها ممکن است به سایر مدارها متصل شوند و چگونه می‌توانند کاهش یابند.
شکل ۵ یک اختلال گذرا را نشان می‌دهد که به دامنه ۵۶۲ ولت با محتوای فرکانسی تقریباً ۲۰۰ کیلوهرتز رسید. پس از تعیین چنین اطلاعاتی، باید آسیب‌پذیری تجهیزات مشخص شود. به عنوان مثال، یک پالس ۲۰۰ ولتی که به یک موتور ۴۸۰ ولتی اعمال می‌شود ممکن است هیچ تأثیری بر عمر موتور نداشته باشد؛ با این حال، همان پالس که به یک کنترل‌کننده فرآیند اعمال شود، می‌تواند منجر به خرابی فوری شود.
تجهیزاتی که شامل منبع‌های تغذیه یا مدارهای فیلتر خازنی هستند، به ویژه در برابر اختلالات گذرای با زمان افزایش سریع و محتوای فرکانسی بالا آسیب‌پذیر هستند.
هنگام اندازه‌گیری اختلالات با زمان افزایش سریع یا فرکانس، طول سیم‌های استفاده شده برای اتصال ابزارآلات به نقاط آزمایش بسیار مهم می‌شود. در تمام این اندازه‌گیری‌ها، باید سیم‌ها تا حد ممکن کوتاه نگه‌داشته شوند.
به طور معمول، طول‌های سیم ۱۸۰ سانتی‌متر یا کمتر نباید خطاهای قابل توجهی در اندازه‌گیری‌های اختلالات سریع ایجاد کند. در فرکانس‌های بالاتر، القای کابل و همچنین ظرفیت آن به عوامل مهمی تبدیل می‌شوند. استفاده از طول‌های کابل بلندتر در اندازه‌گیری‌های گذرا منجر به القای بیشتر و ظرفیت بالاتر و همچنین کاهش بیشتر شکل موج گذرا می‌شود.
همچنین، به منظور کاهش نویز ناشی از منابع خارجی، سیم‌های ولتاژ باید از هادی‌های با ولتاژ و جریان بالا، تجهیزات جوشکاری، موتورها و ترانسفورماتورها دور نگه داشته شوند. سیم‌ها باید تا حد ممکن مستقیم نگه‌داشته شوند و از خمیدگی‌ها یا حلقه‌های تیز خودداری شود. در هر صورت، طول اضافی سیم هرگز نباید به صورت یک حلقه جمع شود.
ترانسفورماتورهای جریان مورد استفاده در اندازه‌گیری‌های جریان گذرا باید دارای رتبه‌بندی جریان اوج حداقل برابر با حداکثر جریان‌های مورد انتظار باشند؛ در غیر این صورت، قله‌های جریان به دلیل اشباع پروب جریان در داده‌ها از دست می‌روند.
شکل ۶ نشان می‌دهد که چگونه اشباع پروب جریان منجر به شکل موج جریان با قله صاف و از دست دادن اطلاعات حیاتی شده است، که تحلیل کیفیت قدرت را دشوارتر می‌کند.
اوسیلوسکوپ
اسیلوسکوپ‌ها برای اندازه‌گیری شکل موج‌های تکراری با فرکانس بالا و شکل موج‌هایی که شامل نویز فرکانس بالا بر روی مدارهای قدرت و کنترل هستند، مفید هستند. اسیلوسکوپ‌ها دارای نرخ‌های نمونه‌برداری بسیار بالاتری نسبت به تحلیل‌گرهای اختلالات گذرا هستند.
اسیلوسکوپ‌هایی با نرخ‌های نمونه‌برداری چند صد میلیون نمونه در ثانیه رایج هستند. این ویژگی به دستگاه اجازه می‌دهد تا به دقت نویزهای تکراری و شکل موج‌های با فرکانس بالا را ثبت کند.
شکل ۷ شکل موج مدولاسیون عرض پالس ولتاژ ورودی به یک موتور AC با سرعت قابل تنظیم را نشان می‌دهد. چنین داده‌هایی در محدوده قابلیت‌های تحلیل‌گرهای هارمونیک و ضبط‌کننده‌های اختلالات گذرا نیستند.
اسیلوسکوپ‌های ذخیره‌سازی دیجیتال (DSOs) قادر به ضبط و ذخیره داده‌های شکل موج برای استفاده‌های بعدی هستند. این ویژگی به کاربران این امکان را می‌دهد که داده‌ها را برای تجزیه و تحلیل‌های بیشتر یا مقایسه‌های آینده ذخیره کنند.
با استفاده از اسیلوسکوپ‌های ذخیره‌سازی دیجیتال چندکاناله، می‌توان بیش از یک پارامتر الکتریکی را مشاهده و ذخیره کرد.
شکل 8 نویز در شبکه زمین یک تأسیسات تولید میکروچیپ را نشان می‌دهد که نمی‌توانست با استفاده از سایر ابزارها شناسایی شود. این نویز در مدار زمین مسئول توقف تولید در این تأسیسات بود.
انتخاب پروب‌های ولتاژ برای استفاده صحیح از اسیلوسکوپ‌ها بسیار حیاتی است. پروب‌های ولتاژ برای اسیلوسکوپ‌ها به طور کلی به دو دسته پروب‌های غیرفعال و فعال تقسیم می‌شوند:
پروب‌های غیرفعال: از اجزای غیرفعال (مقاومت و ظرفیت) برای ارائه فیلترها و عوامل مقیاس لازم استفاده می‌کنند. پروب‌های غیرفعال معمولاً برای استفاده در مدارهایی تا ۳۰۰VAC مناسب هستند. پروب‌های غیرفعال با ولتاژ بالاتر می‌توانند در مدارهایی تا ۱۰۰۰VAC استفاده شوند.
بیشتر پروب‌های غیرفعال برای اندازه‌گیری ولتاژ نسبت به زمین طراحی شده‌اند. پروب‌های غیرفعال که از زمین ایزوله هستند، برای انجام اندازه‌گیری‌ها زمانی که اتصال به زمین باید اجتناب شود، مفید هستند.
پروب‌های فعال از اجزای فعال مانند ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) استفاده می‌کنند تا امپدانس ورودی بالایی را برای اندازه‌گیری‌ها فراهم کنند. این ویژگی به پروب‌های فعال اجازه می‌دهد تا بدون تأثیر بر روی مدار، ولتاژهای بسیار کم را با دقت بالا اندازه‌گیری کنند.
“امپدانس ورودی بالا برای اندازه‌گیری سیگنال‌های سطح پایین بسیار حیاتی است تا احتمال کاهش سیگنال به دلیل بارگذاری توسط خود پروب به حداقل برسد. این ویژگی به حفظ صحت و دقت اندازه‌گیری کمک می‌کند و از تغییرات در سیگنال اصلی جلوگیری می‌کند.
پروب‌های فعال نسبت به پروب‌های غیرفعال گران‌تر هستند. پروب جریان با فرکانس بالا یک لوازم جانبی مهم برای عیب‌یابی مشکلات با استفاده از اسیلوسکوپ‌ها است. با استفاده از پروب جریان، می‌توان نویزهای اضافی و جریان‌های حلقه زمین در شبکه زمین را شناسایی کرد. این قابلیت به تکنسین‌ها کمک می‌کند تا مسائل مربوط به کیفیت قدرت و عملکرد سیستم‌های الکتریکی را به طور مؤثرتری تشخیص دهند.
دیتا لاگر و ضبط کننده های نمودار
داده‌نگارها و ضبط‌کننده‌های نمودار گاهی برای ثبت داده‌های ولتاژ، جریان، بار و دما در سیستم‌های قدرت الکتریکی استفاده می‌شوند. داده‌نگارها و ضبط‌کننده‌های نمودار دستگاه‌های پاسخ کندی هستند که برای اندازه‌گیری داده‌های حالت پایدار در طول یک دوره طولانی مفید هستند.
این دستگاه‌ها یک نمونه از رویداد را در یک مدت زمان از پیش تعیین‌شده، مانند ۱ ثانیه، ۲ ثانیه، ۵ ثانیه و غیره ثبت می‌کنند. داده‌ها معمولاً درون داده‌نگارها ذخیره می‌شوند تا زمانی که برای تحلیل بازیابی شوند. داده‌های ثبت‌شده از داده‌نگارها و ضبط‌کننده‌های نمودار برای تعیین تغییرات ولتاژ و جریان در یک مکان خاص در طول یک دوره طولانی کافی هستند، به شرطی که نیازی به تعیین تغییرات آنی در مقادیر نباشد.
اما، در ارزیابی‌های کیفیت قدرت که شامل شرایط گذرا هستند، این دستگاه‌ها مناسب نیستند. مزیت داده‌نگارها این است که نسبت به ابزارهای ضبط کیفیت قدرت نسبتاً ارزان‌تر هستند. همچنین نصب و استفاده از آن‌ها آسان‌تر است. داده‌ها ممکن است به صورت متنی یا گرافیکی ارائه شوند.
شکل ۱۰ ثبت داده‌های جریان در خروجی یک ترانسفورماتور قدرت را با استفاده از یک داده‌نگار نشان می‌دهد. داده‌های تولید شده به منظور نصب مستقیم بر روی خط قدرت طراحی نشده‌اند.
این دستگاه‌ها برای کار با خروجی‌های سطح پایین از ترانزیستورهای ولتاژ، جریان یا دما طراحی شده‌اند؛ با این حال، باید در نصب و مسیردهی سیم‌ها از ترانزیستورها احتیاط شود تا خروجی آن‌ها به دلیل دریافت نویز اضافی مختل نشود.
همچنین، داده‌نگارها و ضبط‌کننده‌های نمودار اطلاعاتی درباره شکل موج کمیت اندازه‌گیری شده ارائه نمی‌دهند. اگر این سطح از اطلاعات نیاز باشد، باید از یک تحلیل‌گر کیفیت قدرت استفاده شود.
True RMS meters
اصطلاح True RMSبه طور معمول در کاربردهای کیفیت قدرت استفاده می‌شود. مترهای True RMS چیستند؟ مقدار RMS جریان یا ولتاژ می‌تواند به طور قابل توجهی با اجزای بنیادی ولتاژ یا جریان متفاوت باشد. استفاده از متری که مقدار میانگین یا حداکثر یک کمیت را اندازه‌گیری می‌کند می‌تواند نتایج نادرستی تولید کند اگر به مقدار RMS نیاز داشته باشیم.
برای شکل موجی که غنی از هارمونیک است، مقادیر میانگین و حداکثر به طور قابل توجهی با شکل موج‌هایی که به طور خالص سینوسی یا نزدیک به سینوسی هستند، متفاوت خواهد بود. اندازه‌گیری مقدار میانگین یا حداکثر یک سیگنال و مقیاس‌بندی مقادیر برای استخراج مقدار RMS منجر به خطا خواهد شد.
برای مثال، یک شکل موج مربعی از جریان را در نظر بگیرید که در شکل ۱۲ نشان داده شده است.
مقادیر میانگین و حداکثر به ترتیب نشان‌دهنده ۱۱۱ آمپر و ۷۰.۷ آمپر جریان RMS هستند. شکل موج مربعی دارای مقدار میانگین ۱۰۰ آمپر است. مقدار حداکثر شکل موج نیز ۱۰۰ آمپر است. برای رسیدن به مقدار RMS، مقدار میانگین ۱۰۰ آمپر در ۱.۱۱ ضرب می‌شود، که نسبت بین مقدار RMS و مقدار میانگین یک شکل موج سینوسی خالص است.
متر حداکثر مقدار ۱۰۰ آمپر را می‌خواند و آن را در ۰.۷۰۷ ضرب می‌کند تا به مقدار RMS برابر با ۷۰.۷ آمپر برسد، که ۰.۷۰۷ نسبت بین مقدار RMS و مقدار حداکثر یک شکل موج سینوسی خالص است. تفاوت‌ها در مقادیر کاملاً مشهود است.
