ژنراتور و هارمونیک _ روش های کاهش هارمونیک
در دنیای مدرن، ژنراتورها یکی از حیاتی‌ترین تجهیزات در تأمین برق برای صنایع، ساختمان‌های تجاری و سیستم‌های اضطراری هستند. عملکرد بهینه ژنراتورها مستلزم تولید توان با کیفیت بالا است، اما یکی از چالش‌های مهم در این زمینه، اعوجاج هارمونیکی است.
هارمونیک‌ها نوعی اغتشاش در شکل موج ولتاژ و جریان هستند که توسط بارهای غیرخطی مانند درایوهای سرعت متغیر (VFD)، منابع تغذیه سوئیچینگ و دستگاه‌های الکترونیکی ایجاد میشوند. این اعوجاج‌ها میتوانند باعث کاهش راندمان ژنراتور، افزایش تلفات انرژی و اختلال در عملکرد تجهیزات حساس شوند.
به همین دلیل، شناخت منشأ هارمونیک‌ها، تأثیرات منفی آنها و روش‌های کاهش اعوجاج هارمونیکی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مقاله، ابتدا به معرفی هارمونیک‌ها و اثرات آن بر عملکرد ژنراتورها خواهیم پرداخت و سپس روش‌های مؤثر برای کاهش این مشکل را بررسی خواهیم کرد.
تاثیرات بارهای غیر خطی و وجود هارمونیک بر ژنراتور ها
بارهای غیرخطی در سیستم‌های الکتریکی، به دلیل رفتار غیرخطی خود، جریان‌هایی با شکل موج غیرسینوسی تولید میکنند که منجر به ایجاد هارمونیک‌ها میشود. این هارمونیک‌ها میتوانند تأثیرات منفی متعددی بر ژنراتورها و سایر تجهیزات الکتریکی داشته باشند.
تأثیرات هارمونیک‌ها بر ژنراتورها:
1. افزایش تلفات حرارتی: هارمونیک‌ها باعث افزایش تلفات در سیم‌پیچ‌ها و هسته ژنراتور میشوند که میتواند منجر به افزایش دما و کاهش عمر مفید تجهیزات شود.
2. اعوجاج ولتاژ و جریان: وجود هارمونیک‌ها باعث اعوجاج در شکل موج‌های ولتاژ و جریان میشود که میتواند عملکرد صحیح تجهیزات حساس را مختل کند.
3. کاهش راندمان: هارمونیک‌ها میتوانند باعث کاهش راندمان ژنراتور و افزایش مصرف انرژی شوند.
4. تداخل الکترومغناطیسی: هارمونیک‌ها ممکن است باعث ایجاد تداخل در سیستم‌های ارتباطی و کنترلی شوند.
روش‌های کاهش هارمونیک‌ها:
1. استفاده از فیلترهای هارمونیکی: نصب فیلترهای فعال یا غیرفعال میتواند به کاهش هارمونیک‌ها کمک کند.
2. طراحی مناسب سیستم: انتخاب تجهیزات با مشخصات مناسب و طراحی صحیح سیستم میتواند تأثیر هارمونیک‌ها را کاهش دهد.
3. استفاده از بارهای خطی: تا حد امکان استفاده از بارهای خطی به جای بارهای غیرخطی میتواند تولید هارمونیک‌ها را کاهش دهد.
ژنراتور سنکرون چیست؟
ژنراتور سنکرون نوعی ژنراتور الکتریکی است که در آن سرعت چرخش روتور با فرکانس شبکه الکتریکی همگام است. این دستگاه انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و در نیروگاه‌ها، صنایع و تأمین برق اضطراری کاربرد دارد. به دلیل دقت بالا در تولید توان الکتریکی پایدار، ژنراتورهای سنکرون بخش مهمی از سیستم‌های قدرت محسوب میشوند.
ژنراتورهای سنکرون مورد استفاده در سیستم‌های خارج از شبکه، مانند دیزل ژنراتورهایی که در مجموعه‌ها نصب میشوند، به دلیل امپدانس داخلی بالا، تأثیرپذیری زیادی بر کیفیت توان دارند. این نوع ژنراتورها در شرایط بار خطی قادر به تولید شکل موج سینوسی خالص هستند، اما در صورت وجود بارهای غیرخطی که باعث ایجاد هارمونیک جریان میشوند، شکل موج خروجی ژنراتور به سرعت از حالت سینوسی ایده‌آل خارج شده و دچار اعوجاج میشود.
این اعوجاج، که به شکل موج‌های نامتقارن و ریپل‌دار ظاهر میشود، یکی از عوامل اصلی تداخل ولتاژ و افت ولتاژ ناشی از بارهای هارمونیکی است و میتواند تأثیر منفی بر عملکرد تجهیزات الکتریکی متصل به ژنراتور داشته باشد.
ژنراتور سنکرون و تأثیر هارمونیک‌ها بر عملکرد آن
دانستن موضوع تاثیر بارهای غیر خطی بر روی ژنراتور ها و ایجاد تداخل ولتاژ از عوامل بسیار مهمی است که طراحان سیستم های برق اضطراری و کمکی است که باید در نظر بگیرند. مهندسین یک راکتانس فرعی را برای ژنراتور تعیین میکنند که تا سطح گسست سیستم را کاهش دهند، ولی افزایش امپدانس ژنراتور در شرایط تغذیه بارهای غیر خطی هارمونیکی منجر به ایجاد مشکلات بسیار جدی مانند تداخل ولتاژ زیاد خواهد شد که نیازمند سیستم های کاهش هارمونیک است.
هارمونیک های جریان موجب افزایش تلفات در ژنراتور ها به چندین صورت می گیرد. میدان های مغناطیسی سرگردان ایجاد شده توسط هارمونیک ها، موجب ایجاد جریان های چرخنده در رتور میشود. این عامل به موجب وجود مقاومت در قفسه رتور باعث ایجاد تلفات اهمی خواهد شد. تلفات استاتور به دلیل وجود اثر پوستی در سیم پیچی افزایش خواهد یافت. هارمونیک های فرکانس بالا، منجر به خارج شدن شار مغناطیسی به محیط خارج از هسته خواهد شد و این عامل نیز باعث افزایش تلفات میشود. همپنین تلفات هسته نیز در شرایط هارمونکی نیز افزایش مییابد.
کنترل کننده های اتوماتیک ولتاژ (AVR) و سیستم های تحریک ژنراتور به تداخلات ولتاژ حساسیت بالایی دارند. مدار داخلی و سنسور های اندازه گیری ولتاژ در این سیستم ها که باید سریعا مقدار ولتاژ خروجی ولتاژ و میزان توان RMS را اندازه گیری کنند، دقت عملکردی خود را از دست میدهند. سیستم های تحریک ژنراتور که عموما انرژی خود را از خروجی ژنراتور تامین میکنند، منجر به ایجاد تداخل بسیار زیادی را خواهد شد.
بار های غیر خطی و هارمونیک
زمانی که یک منبع ولتاژ سینوسی، یک بار غیرخطی را تغذیه می‌کند، جریان کشیده شده از منبع دیگر به شکل سینوسی خالص نخواهد بود. این تداخلات جریان به صورت هارمونیک‌های جریان بروز میکنند که بررسی تأثیرات آنها و کاهش میزان این هارمونیک‌ها، اهمیت زیادی دارد. رایج‌ترین نوع هارمونیک که توسط بارهای غیرخطی مانند اینورترها و کانورترها ایجاد میشود، شکل موج پالسی است. این نوع شکل موج عمدتاً توسط بارهای الکتریکی قدرت که دارای کلیدزنی هستند و اقداماتی نظیر تغییر فرکانس را انجام میدهند، تولید میشود.
با حضور امپدانس سیستم، این نوع جریان‌های کشیده شده باعث افت ولتاژ و تغییر شکل موج سینوسی به شکل موج غیرسینوسی میشوند. در نهایت، این تغییرات منجر به تداخلات ولتاژ میشود که مشکلات متعددی را در عملکرد تجهیزات الکتریکی ایجاد می‌کند.
سیستم های کاهش هارمونیک و فیلتر هارمونیک برای ژنراتور ها
هارمونیک ها و تاثیرات بارهای غیر خطی، موجب کاهش توانایی ژنراتور های تامین برق شده وهمچنین راندمان و تداخل ولتاژ تولیدی میشود. بنابراین با توجه به اینکه نیاز به سیستم های فیلتر و کاهش هارمونیک به شدت احساس میشود، مهندسین به دنبال راهکاری برای رفع این مشکلات می باشند. مطلوب ترین راه این است که، مقدار بارهای غیر خطی کاهش یابد. اما به دلیل اینکه، استفاده از بار های غیر خطی در طول زمان باعث افزایش آن در صنعت می شود، بنابراین این عمل دور از واقعیت و غیر عملی است.
بنابراین راهکار اصلی برای این مسئله، کاهش هارمونیک ها و فیلتر کردن آنها توسط ساختار های مخصوص یا همان استفاده از فیلتر های هارمونیک پسیو و اکتیو می باشد. به این صورت که این فیلتر ها، هارمونیک های تولید شده توسط این بارها را فیلتر میکنند. فیلتر های هارمونیک اکتیو به وسیله عناصر نیمه ها و بصورت کلید زنی، میتوانند این مشکلات و چالش هارا رفع کنند اما نیازمند صرف هزینه بسیار زیادی هستند. معقول ترین راهکار برای رفع این مشکل ها استفاده از فیلتر های هارمونیک پسیو هست، که امروزه به عنوان راهکاری بسیار موثر از نظر عملکرد و هزینه شناخته میشوند. این فیلتر های هارمونیک به وسیله سلف های بزرگ که به عنوان راکتور و خازن ها ساخته میشوند.
هارمونیک ها و تداخلات ولتاژ ژنراتور
در صنایع و تاسیساتی که از بارهای غیرخطی استفاده میکنند، که امروزه دیگر اکثر بارها دارای رفتار غیر خطی است باید از این فیلتر ها برای جلوگیری از مشکلاتی که اشاره شد استفاده کرد. همچنین میتوان گفت که در تاسیساتی که دارای ژنراتور ها خارج از شبکه که بارهای غیرخطی را تغذیه میکنند، باید از فیلتر های هارمونیک استفاده شود. زیرا در صورت نبود این سیستم های فیلترینگ هارمونیک برای تغذیه یک بار غیر خطی 15کیلو واتی نیازمند ژنراتوری با توان سه برابر این مقدار مصرفی بار غیر خطی هستیمف که بتواند این بار 15 کیلو واتی را تغذیه کند، که این عامل به تنهایی میتواند از نظر اقتصادی و عملی، نصب سیستم های فیلتر هارمونیک برای این تاسیسات را توجیه کند.
در صورت در نظر نگرفتن و بی توجهی به این عوامل (هارمونیک ها و تداخلات ولتاژ ژنراتور) شاهد مشکلاتی مانند موارد زیر خواهد شد:
- از کار افتادن ژنراتور های دیزلی
- عدم کارکرد دقیق تنظیم کننده ولتاژ خروجی ژنراتور و سیستم تحریک
- شکست عایقی ژنراتور
- کاهش عمر ژنراتور سنکرون
- مشکلات و خرابی بارهای در حال کار در مجموعه
- عدم توانایی تامین توان بهینه
- کاهش راندمان ژنراتور و افزایش مصرف سوخت
- افزایش آلودگی محیطی و صوتی
- نیاز به ژنراتور سایز بزرگتر
- افزایش و تحمیل هزینه های مالی و زمانی
- افزایش تعداد دفعات سرویس و تعمیرات تجهیزات
نتیجه گیری:
برای کاربردهای ژنراتور، خواه قدرت اصلی یا پشتیبان، باید به مقدار بار غیر خطی و اعوجاج هارمونیک که این بارها ایجاد می کنند توجه شود. روش‌های اندازه‌گیری «قاعده سرانگشتی» حداقل منجر به دو برابر کردن رتبه ژنراتور میشود که موجب عملکرد ناکارآمد، هزینه‌های نصب و راه‌اندازی بسیار بالاتر و انتشار آلودگی بیش از حد میشود.
