آلودگی هارمونیکی

در سالهای اخیر حوادث تازه‌ای باعث بروز اشكال در سیستمهای قدرت شده كه حتی از دید دستگاههای اندازه‌گیری پنهان مانده و یا سیستمهای حفاظت را غافلگیر كرده است. به عنوان نمونه در ژانویه ۱۹۹۲ یك سیستم رایانه‌ای جدید در یك شركت بیمه در پاریس نصب شد، اما مدت كمی بعد از وصل سیستم به برق، كلید اصلی عمل كرد و برق كل سیستم را قطع كرد. پس از صرف زمان و پول زیادی معلوم شد كه این اتفاق به خاطر اضافه بار بیش از حد سیم نول سیستم بوده است.
با اینكه بار سیستم یك بار سه فاز متقارن بوده اما جریان عبوری از سیم نول به مقدار شگفت‌آور ۶۵ درصد جریان سیم فاز می‌رسید. درحالی كه مقدار جریان مجاز رله محافظ سیم نول، ۵۰ درصد مقدار جریان مجاز رله محافظ سیم فاز بود (در سیستم سه فاز متقارن، جریان سیم نول باید صفر باشد و بنابراین مقدار ۶۵ درصد جریان فاز برای سیم نول یك اتفاق غیرمنتظره بود كه سیستم را غافلگیر كرد). در یك مورد دیگر یك ترانسفورماتور KVA۳۰۰ خراب شد، درحالی كه دستگاههای اندازه‌گیری نوع متوسط سنج هیچ گونه اضافه باری را نشان ندادند، اما موقعی كه ترانسفورماتور جایگزین شده نیز خیلی زود بعد از نصب خراب شد، با كمك دستگاههای اندازه‌گیری موثرسنج واقعی معلوم شد كه به خاطر جریانهای هارمونیكی، ترانسفورماتور دچار اضافه‌بار قابل ملاحظه‌ای بوده است.
تمام این مشكلات ریشه در یك عامل دارد و آن اعوجاج (خرابی) بیش از معمول جریان یا ولتاژ تحویلی به مصرف‌كننده است. این اعوجاج چندین اثر مخرب دارد، از جمله افزایش گرمای اجزای سیستم توزیع، نوسانات مكانیكی ژنراتورها و موتورها، خرابی عایقها یا خازنها به خاطر پدیده تشدید الكتریكی و گذشته از افزایش نویز صوتی، باعث خراب شدن عملكرد سیستم‌های مخابراتی PLC و رفتار غیرقابل پیش بینی سیستمهای حفاظت نصب شده، می‌شود.
علت اصلی این مشكلات كه نوعی آلودگی الكترومغناطیسی است، رشد وسایل الكترونیكی در سیستم قدرت است رایانه‌ها و تلویزیونهای رنگی و سیستمهای مجهز به لامپهای خلاء حتی لامپهای فلورسنت استاندارد، موتورهای كنترل شده باالمانهای الكترونیك قدرت و شارژ‌كننده‌های باطری از جمله این وسایل هستند.
عامل اعوجاج هارمونیكی بارهای غیرخطی مانند یكسوكننده‌هاست. هارمونیكهای پنهان (مولفه‌های جریانی كه به فركانس اصلی وابستگی هارمونیكی ندارند) توسط بارهای فعال آسنكرون نظیر سیكلوكانورترها یا بارهایی كه در هر سیكل تغییر دارند، مانند كوره‌های قوس، تولید می‌شود. تداخل الكترومغناطیسی (EMI) نویز فركانس بالاست و به خاطر لبه‌های سریع در شكل موجهای مبدلهای قدرت سوئیچینگ تولید می‌شود. بریدگیهای ولتاژ كه به خاطر اتصال كوتاههای لحظه‌ای ولتاژ خط در خلال دوره كموتاسیون اتفاق می‌افتد. پدیده چشمك‌زدن كه به خاطر تغییرات پیوسته یا دوره‌ای ولتاژ (كه ناشی از تغییرات بار است) اتفاق می‌افتد و باعث تغییر نور لامپ و آزار چشم می‌شود.
● بررسی رشد و تغییر در سیستمهای الكترونیك قدرت
افراد خبره در الكترونیك قدرت تخمین می‌زنند كه حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد برق در كشورهای صنعتی از طریق سیستمهای الكترونیك قدرت مصرف می‌شود و این میزان درحال افزایش است. بنابراین اثر آلودگی هارمونیكی بارهای غیرخطی در سیستمهای قدرت جدی است. به عنوان نمونه در كشور سوئیس میزان هارمونیك در سیستم توزیع (V۴۰۰/V۲۳۰) بین سالهای ۱۹۷۹ تا ۱۹۹۱ از ۶/۳ درصد به ۷/۴ درصد افزایش پیدا كرده است.
برای جلوگیری از رشد آلودگی الكترومغناطیسی، نهادهای مختلف نظیر IEC و IEEE استانداردهای مختلفی وضع كردند تا حد مجازی برای هارمونیكها در سیستم قدرت مشخص شود. در همین زمان سازندگان و استفاده‌كنندگان تجهیزات الكترونیك قدرت نیز روشهایی برای حل این مشكل بكار برده‌اند.
با تغییر نوع بارها و استفاده بیشتر از یك بار خاص، درصد هارمونیكهای مختلف نیز ممكن است در سالهای مختلف دچار تغییر شود و بنابراین باید روشهای حذف هارمونیك نیز مناسب با این تغییرات باشد. به عنوان نمونه تغییرات هارمونیكی در سیستم توزیع كشور سوئیس را در سالهای ۱۹۷۹ تا ۱۹۹۱ نشان می‌دهد. در این سالها هارمونیكهای سوم و هفتم افزایش یافته‌اند و هارمونیك نهم نیز ظاهر شده است. این تغییر درصد هارمونیكها به خاطر این است كه استفاده از یكسوكننده تكفاز (كه مولد هارمونیكهای ۷،۹،۱۱ و … است) رشد زیادی داشته، در حالی كه یكسوكننده‌های سه‌فاز كه قبلاً سهم بیشتری در بارهای غیرخطی داشتند هارمونیك نهم تولید نمی‌كردند. نتیجه یك تحقیق در شش ساختمان اداری یك مجتمع بزرگ دانشگاهی در آمریكا نیز نشان می‌دهد كه این تغییر بافت بارهای غیرخطی و رشد یكسوكننده‌های تكفاز (كه مولد هارمونیك مضرب سه است) باعث ۱۳۳ درصد افزایش در جریان نول شده است.
● قوانین و راههای محدود كردن هارمونیكها
هارمونیكهای خط و فلیكر دو مورد آلودگی فركانس پایین هستند كه بیش از سایر هارمونیكها مورد توجه گروههای استاندارد قرار گرفته‌اند.
IEC در سال ۱۹۸۲ یك استاندارد سه قسمتی با شماره IEC۵۵۵ منتشر كرد كه بخش اول: تعاریف، بخش دوم هارمونیكها و بخش سوم تغییرات ولتاژ بود این استاندارد و به خصوص بخش هارمونیكهای آن، پس از چندین بار تغییر بالاخره در اواسط دهه ۹۰ قسمتی از خانواده IEC۱۰۰۰ از سری استانداردهای EMC شد. در آمریكا نیز استاندارد ANSI/IEEE ۵۱۹-۱۹۹۲ محدودیتهایی برای هارمونیكهای جریان و ولتاژ قائل شد. این استاندارد روزآمد استاندارد قبلی IEEE ۵۱۹-۱۹۸۱ بود كه تنها برای هارمونیكهای ولتاژ محدودیت قائل شده بود.در این دو استاندارد دو گرایش دیده می‌شود. استانداردهای IEC مقدار مجاز تزریق‌ هارمونیك وسیله برقی را مشخص می‌كند و استانداردهای IEEE مقدار مجاز آلودگی‌ هارمونیكی در نقطه اتصال سیستم توزیع با مصرف‌كننده را مشخص می‌كند. با قبول استاندارد IEEE باید به وسایل الكترونیك قدرت یك سخت‌افزار اضافه كرد و یا آنها را دوباره طراحی كرد. سخت‌افزار اضافی، یك مدار شكل‌دهندهٔ جریان خط است كه می‌تواند فعال یا نافعال باشد. به عنوان مثال استفاده از یك MOSFET قدرت و یك سلف در طرح یكسو‌كننده تكفاز است كه یكسوكننده را به نوع یكسوكننده تقویت تبدیل می‌كند.
در مقابل با قبول استاندارد IEEE، شركت برق و مصرف‌كننده برق (به جای سازنده وسیله برقی) وظیفه كاهش هارمونیك را به عهده دارند.
اختلاف قابل ملاحظهٔ دیگر اینكه استاندارهای IEC به Cénélec پیشنهاد شده است و موقعی كه Cénélec آنها را بپذیرد (همچنانكه IEC ۱۰۰۰-۳-۲ را پذیرفت)، آنها به عنوان استانداردهای اروپایی پذیرفته می‌شوند، یعنی رعایت این استانداردها با وضع قوانینی در اروپا اجباری می شود. در حالی كه رعایت استانداردهای IEEE تنها توصیه است (اجباری نیست).
یك موضوع حل نشده دیگر، تعریف مولفه‌های جریان و توان (مثلا توان راكتیو) در شرایط غیرسینوسی در شبكه‌های توزیع است. برای بررسی شرایط غیرسینوسی دو روش حوزه فركانسی و حوزهٔ زمانی مطرح است. شركتهای توزیع علاقه‌مندند كیفیت خرابی (و آلودگی) موج را در حوزه فركانس و توسط چند مولفه محدود هارمونیكی نمایش دهند و بررسی كنند.
مزیت روش فركانسی این است كه اندازه‌گیری خرابی موج در حوزهٔ فركانس ساده‌تر از اندازه‌گیری آن در حوزه زمان است. اما در سیستمهای تغذیه عملی و همچنین برای كنترل فیلترهای اكتیو قدرت، بررسی در حوزه زمان مناسبتر است.
در مورد كاربردهای صنعتی، یعنی توانهای بیش از KW۳، قوانین و استانداردهایی كه این مصرف‌كننده‌ها را از نظر آلودگی هارمونیكی محدود كند وجود ندارد. البته استاندارد IEEE ۵۱۹-۱۹۹۲ توانهای بالا را پوشش می‌دهد. اما الزام‌آور نیست و استاندارد اروپایی IEC ۱۰۰۰-۳-۴ هنوز در حد پیش‌نویس است و قابل اجرا نیست.
در حال حاضر حداقل ضریب توان و مقدار خرابی جریان (یا ولتاژ) در نقطه اتصال مشترك شركت برق و مصرف‌كننده (PCC)، موضوع مهم مورد بحث بین شركت برق و مصرف‌كننده است. لازم به ذكر است كه محدوده مجاز خرابی جریان (یا ولتاژ) در نقطه اتصال مشترك به طور قابل ملاحظه‌ای به ظرفیت جریان اتصال كوتاه در این نقطه بستگی دارد.
برای مدتهای طولانی تنها محدودیت شركتهای توزیع روی مصرف‌كننده‌های بزرگ، توان راكتیو مصرفی بود كه این كار با نصب یك بانك خازنی مناسب در محل بار برطرف می شد. اخیراً شركتهای برق به محدود كردن جریان هارمونیكی تزریق شده به شبكه توجه بیشتری كرده‌اند و مصرف‌كننده‌های صنعتی را مجبور به استفاده از فیلترهای تنظیم‌پذیر یا فیلترهای پایین‌گذر برای حذف هارمونیك‌ كرده‌اند. متاسفانه این فیلترها به خاطر امپدانس كم آنها در فركانسهای هارمونیكی، جریان هارمونیكی شدیدی جذب می‌كنند و اگر ولتاژ تغذیه حتی خرابی كمی هم داشته باشد این جریان زیاد باعث تشدید خرابی ولتاژ تغذیه می‌شود. مشكل دیگر این جبران‌كننده‌های نافعال كه در نقاط مختلف شبكه نصب شده‌اند این است كه ممكن است با یكدیگر تداخل كرده و عبور جریانهای حاصل از پدیده تشدید در اندوكتانس خطوط، ولتاژهای هارمونیكی پیش‌بینی نشده‌ای روی سایر مصرف‌كننده‌ها تولید كنند.
در گذشته با ابتكار در طراحی و آرایش ترانسفورماتورها و مبدلهای الكترونیك قدرت نظیر آرایش ستاره – مثلث و آرایش زیگزاگ یا متوالی كردن دو مبدل یكسان كه با هم اختلاف فاز دارند هارمونیك تزریقی به خط را كاهش می‌دادند. اما امروزه با ظهور كلیدهای نیمه هادی با كنترل خاموشی نظیر GTO و IGBT تركیبها و آرایشهای مختلف به آسانی قابل انجام است و به كمك این وسایل می‌توان یكسوكننده با كنترل عرض پالسی (یكسوكننده PWM) با كمترین میزان هارمونیك و ضریب توان نزدیك به یك ساخت در راه‌حلهای جدید، برای حذف هارمونیك از جبران‌كننده‌های سوئیچ استفاده می‌شود كه به عنوان فیلتراكتیو عمل می‌كنند. این جبران‌كننده‌ها بر اساس دستور سیستم كنترل می‌توانند هر شكل موج جریان آلوده‌كننده را جذب و حذف كنند. در این روش بدون اینكه ولتاژ تغذیه خراب شود، جریانهای راكتیو و هارمونیكی حذف می‌شوند. همچنین بارهای جبران شده شبیه بار مقاومتی عمل می‌كنند. در نتیجه پدیده تشدید از بین رفته و عملكرد كل سیستم قدرت نیز بهبود پیدا می‌كند.
تكنولوژی جبران‌كننده‌های سوئیچ بر كلیدهای نیمه هادی قدرت مانند IGBT و GTO استوار است بنابراین هزینه آن در مقایسه با فیلتر نافعال زیاد است. بنابراین گرایش كنونی به طراحی سیستمهای جبران‌كننده مجتمعی است كه با تركیب جبران‌كننده‌های نوع سوئیچ و نوع نافعال،‌ ضمن برآورده كردن مشخصه مطلوب، هزینه را حداقل كند.
● آیا كاهش آلودگی باعث ناپایداری نمی‌شود؟
بسیاری از وسایل الكترونیك قدرت طوری طراحی شده‌اند كه صرف‌نظر از تغییرات ولتاژ شبكه توان ثابتی از شبكه دریافت كنند. در نتیجه موقعی كه ولتاژ خط در حال كاهش است آنها جریان بیشتری از خط می‌كشند، در نتیجه در مقیاس سیگنال كوچك به عنوان یك مقاومت منفی ظاهر می‌شوند و این عملكرد می‌تواند برای پایداری شبكه مشكل جدی ایجاد كند.
البته در حال حاضر بارهای با توان ثابت شیوع زیادی ندارند، در نتیجه عواقب این مساله به طور ریشه‌ای بررسی نشده است اما در آینده كه فشار بر مصرف‌كننده‌ها برای كاهش هارمونیك بیشتر می‌شود، بارهای با توان ثابت شیوع بیشتری خواهد یافت و مساله ناپایداری به خاطر عملكرد بارهای با توان ثابت یك خطر جدی خواهد بود.
● برآورد هزینه
كیفیت نامطلوب برق، سالیانه خسارت زیادی را باعث می‌شود، یكی از عوامل مهم كیفیت نامطلوب برق، آلودگی هارمونیكی است. بنابراین اگر آلودگی‌ هارمونیكی بسیاری از بارها كاهش یابد، از قسمت مهمی از خسارتها جلوگیری می‌شود. اما حدف این هارمونیكها نیز خود نیاز به صرف هزینه و نصب وسایل جانبی دارد، پس باید میزان سرمایه‌گذاری و حجم خسارات برآورد شود. به عنوان یك نمونه جالب، با كاهش هارمونیكها در وسایل توان پایین – به عنوان مثال در رایانه‌های شخصی – تنها به خاطر صرفه‌جویی در كاهش تلفات سیم‌كشی ساختمان در مدت كمتر از سه سال سرمایه دستگاه جانبی برگشت داده می‌شود.

برگردان و تلخیص: مهندس یدا… ذاكری- مهندس عباس جانی‌قربان

منبع : روزنامه جوان