اهمیت فیلتراسیون هارمونیک در صنایع فولاد و وجود فیلتر هارمونیک
صنایع فولاد و آهن آلات یکی از مهمترین صنایع مادر هر کشوری است و 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، و 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 میشوند. 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.
در حوزه تولید فولاد و هرگونه از فلزات که شامل پروسه تولید است، 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.
در صنعت فولاد و فراید تولید آن که بصورت اجمالی شامل 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 که به وسیله درایو کنترل میشوند، در مرحله بعدی 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 شود، 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 یکسوساز 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 الکترود و با جریان بسیار بالا که منجر به ذوب می شود است. 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 اظطراری که انرژی را در باتری ها ذخیره میکنند وجود دارد، که همگی این بار های بدون اثتثنا 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.
پس با علم به این موضوع که در کارخانجات فولاد و فلزات عموما اکثر بارهای الکتریکی استفاده شده دارای کلیدزنی الکترونیکی است و به ندرت میتوان مشاهده کرد که موتور ها بصورت کنتاکتوری راه اندازی شوند زیرا این روش کارکرد مورد انتظار را برای فرایند های مورد نظر در اختیار نمی گذارد زیرا در این روش هیچگونه کنترل سرعت و گشتاوری نداریم و عملا این روش در این نوع کاربری ها کاربردی ندارد.
روش های نوین کنترل این بار ها به وسیله مبدل ها و اینورتر ها که آزادی عمل بسیار زیادی در اختیار میگذارد و فرایند های ذوب نوین که به وسیله کوره های الکتریکی انجام میشود مزایای بسیار زیادی دارد و عملا استفاده از کوره های سنتی هیچ نوجیهی ندارد، روش های نوین در حال استفاده دارای معایبی مانند اعوجاج هامونیکی، نوسان ولتاژ و عدم تعادل ایجاد شده در پروفایل ولتاژ و جریان به وسیله این کلید زنی ها است. که این اختلالات بوجود آمده منجر به ایجاد مشکلات بسیاری می شود.
مشکلات ایجاد شده توسط وجود هارمونیک در سیستم برق صنایع فولاد
یکی از اصلی ترین مشکلات ایجاد شده به وسیله این کاهش کیفیت توان و هارمونیک بخصوص در صنایع فولاد افرایش تلفات انرژی است، زیرا در اکثر فرایند های تولید و از همه مهم تر صنعت فولاد که مصرف انرژی بالایی دارد و هزینه های تامین برق یکی از اصلی ترین هزینه های تولید است، وجود هرگونه تلفات در این فرایند منجر به افزایش هزینه تمام شده کالا خواهد شد.
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. به دلیل وجود بار های موتوری بسیار در این صنایع ضریب توان این صنایع بسیار پایین است که خود موجب افزایش هزینه انرژی میشود، نیاز به جبران سازی دارد که از طرف شرکت توانیر جریمه ای شامل مصرف نشود، سیستم های خارنی مانند بانک های خارنی که به منظور جبران سازی ضریب توان پایین نصب می شوند در حضور هارمونیک و نوسان ولتاژ بسیار آسیب پذیر هستند، زیرا وجود هارمونیک موجب کاهش عمر و حتی خرابی و انفجار خارن های موجود میشود.
وجود هارمونیک موجب شکست عایقی در موتور های استفاده شده خواهد شد که این شکست عایقی موجب اتصال کوتاه داخلی موتور ها شده و خرابی آنها را در پی دارد و تعویض این موتور ها به دلیل قیمت بالایی که دارند هزینه زیادی را تحمیل خواهند کرد، همچنین خرابی هریک از این موتور ها منجر به ایجاد اختلال در فرایند تولید خواهد شد که میتواند منجر به خسارات مالی و حتی جانی شود.
از دیگر خسارات احتمالی بوجود آمده از هارمونیک اختلال در سیستم های کنترلی و الکترونیکی است، به این صورت که هارمونیک های مراتب بالا میتوانند بر کارکرد درست تجهیزات الکترونیکی مانند PLC ها و سیستم کنترلی تاثیر گذاشته و حتی موجب خرابی شوند.
مورد دیگر و مهم، تاثیر هارمونیک بر تجهیزات اندازه گیری مانند سنسور های سرعت، حرکت، مجاورت وغیره است، که موجب کاهش دقت این سنسور ها خواهد شد، و این کاهش دقت و عدم کارکرد درست در تجهیزاتی مانند خط تولید که بصورت یک قطار به یکدیگر وصل شده است، باعث بوجود آمدن مشکلات زیادی می شود.
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. همچنین بیشتر هارمونیک ایجاد شده در صنایع فولاد توسط کوره ها صورت می گیرد.
راهکار مناسب برای کاهش هارمونیک و جلوگیری از زیان های اشاره شده، طراحی و نصب فیلتر های هارمونیک است که در دو نوع اکتیو و پسیو وجود دارد.
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 نیز فیلتر کرد.
با مشاهده تاثیرات و خرابی های ایجاد شده توسط هارمونیک های موجود در شبکه برق کارخانه فولاد و صنایع فولاد نبود فیلتر هارمونیک غیرقابل قبول و دور از ذهن است.
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.
