نوشته بلاگ

بانک خازنی – هارمونیک چیست و چه اثری بر بانک خازنی دارد؟

گردآورنده: محسن قنبرنژاد

مهر ماه 1397

مقدمه

بانک خازنی – امروزه توسعه تکنولوژی در زمینه نیمه هادی ها باعث پیشرفت های گسترده ای در مبحث الکترونیک قدرت شده است. طوری که بسیاری از دستگاه های مورد استفاده در کاربرد های صنعتی، خانگی و… از این تکنولوژی بهره می برند.

اما گستره شدن استفاده از تجهیزات الکترونیک قدرت، مشکلاتی را نیز در پی داشته است. این تجهیزات با توجه به ماهیتشان، جریان غیر سینوسی دارند (یک بار غیر خطی محسوب می شوند) و این باعث یک افت ولتاژ غیر سینوسی در شبکه خواهد شد. و در نتیجه با خارج شدن شکل موج ولتاژ شبکه از حالت سینوسی، بارهای خطی نیز از ولتاژ غیرخطی تغذیه خواهند شد که این می تواند اثرات نامطلوبی را بر مجموعه مصرف کنندگان داشته باشد. هارمونیک ها اجزای همین شکل موج های غیر سینوسی یا اعوجاج یافته هستند.

هارمونیک

طبق نظریه فوریه، هر تابع متناوب با دوره تناوب T را می توان به صورت جمعی از چند تابع با دوره تناوبی از مضرب صحیح دوره تناوب تابع اصلی بسط داد. که به این بسط، بسط فوریه گفته می شود.

هارمونیک فرکانس شکل موج اصلی را، هارمونیک اول یا هارمونیک پایه گویند و هارمونیک هایی که فرکانس آن ها، مضرب n از فرکانس اصلی شکل موج است، هارمونیک مرتبه nام خوانده می شوند.

طبق نظریه فوریه، یک شکل موج کاملا سینوسی، به جز هارمونیک اول(شکل موج اصلی) فاقد هرگونه هارمونیک اضافه است، لذا وجود هرگونه هارمونیک در یک سیستم الکتریکی بیانگر تغییر در شکل موج ولتاژ و جریان خواهد بود که حالت مطلوبی نیست و بایستی رفع گردد.

دستگاه هایی که جریان غیرخطی از شبکه کشیده و باعث تزریق هارمونیک به شبکه می شوند، عبارتند از:

• درایو موتورهای الکتریکی (اینورتر)
• منابع تغذیه بدون وقفه (UPS)
• کوره های القایی
• دستگاه های جوشکاری
• کامپیوترهای شخصی
• لامپ های فلوئورسنت و تخلیه گازی

به طور کلی اعوجاج شکل موج به علت ماهیت این تجهیزات است که می تواند به علت وجود اَمپِدانس غیر خطی یا متغیر با زمان و یا یکسوکننده های پل باشد؛ چرا که در این موارد، ادوات الکترونیک قدرت تنها در کسری از جریان را از خود عبور می دهند و باعث ایجاد هارمونیک و شکل موج غیر سینوسی می شود.

یکی از تجهیزاتی که در برابر این هارمونیک ها بسیار حساس می باشد، خازن ها هستند. استاندارد ها توضیحات دقیقی را با هدف کاهش اثرات هارمونیک بر خازن ها ارائه می دهند. استاندارد IEC 61642 مشکلات هارمونیک ها را بررسی کرده و توصیه و راهکارهایی را در این باره ارائه می دهد.

اثرات هارمونیک

وجود هارمونیک در شبکه ممکن است به علت عملکرد نامطلوب یک دستگاه باشد. مانند: افزایش تلفات ترانسفورماتورها یا اختلالات در گشتاور موتور ها و… .

اضافه بار

به طور کلی در میان تجهیزات الکتریکی، هارمونیک بیشترین آسیب را به خازن های اصلاح ضریب توان می رساند. در ادامه به بررسی علت آن می پردازیم.

همانطور که می دانید راکتانس خازنی با فرکانس شبکه نسبت عکس دارد. لذا با افزایش ضریب هارمونیک، میزان راکتانس خازنی کاهش خواهد یافت. این بدان معناست که یک ولتاژ اعوجاج یافته (دارای هارمونیک) با داشتن هارمونیک های ضریب بالا می تواند آسیب شدیدی به خازن های موجود در مدار وارد کند.

در یک بانک خازنی با اتصال مثلث (که غالبا به این صورت خواهد بود)، می توان جریان عبوری از خازن متناظر با هارمونیک nام را با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد :

که در این رابطه :

•  جریان متناظر با هارمونیک nام
• n مرتبه هارمونیک
• فرکانس زاویه ای هارمونیک اول
• ظرفیت خازن
• ولتاژ خط به خط متناظر با هارمونیک nام

با بسط دادن ولتاژ اعوجاج یافته، مقدار جریان عبوری از خازن برابر خواهد بود با :

از این رابطه کاملا واضح است که جریان عبوری از خازن در صورت وجود هارمونیک ولتاژ، بیشتر از جریان عبوری از آن در غیاب هارمونیک های مرتبه nام است. به همین علت استاندارد های IEC 60831-1 و IEC 60931-1 بیان می کنند که خازن ها بایستی توانایی عملکرد مداوم در جریانی بالاتر از میزان جریان نامی خود را دارا باشند.

به همین علت به مصرف کننده هایی که دارای بار های غیر خطی می باشند، توصیه می شود که جهت جلوگیری از آسیب های احتمالی ناشی از هارمونیک ها بر بانک خازنی و سایر المان های مدار، راکتور هایی به صورت موازی با خازن ها در نظر گرفته شوند تا از هرگونه آسیب احتمالی جلوگیری کنند.

پدیده رزونانس

مشکل دیگری که ممکن است در اثر وجود هارمونیک در شبکه به وجود آید، وقوع پدیده رزونانس می باشد. پدیده رزونانس هنگامی رخ می دهد که کاپاسیتانس (ظرفیت خازنی) بار با اندوکتانس شبکه برابر شود. هنگامی که سلف و خازن معادل به صورت سری با یکدیگر قرار داشته باشند، رزونانس سری و اگر به صورت موازی قرار داشته باشند، رزونانس موازی نامیده می شود که در یک شبکه ممکن است هر دو نوع رزونانس اتفاق بیفتد.

رزونانس در فرکانس خاصی ایجاد می شود که به آن فرکانس رزونانس گفته می شود.

در صورت وقوع رزونانس سری، امپدانس کل برابر خواهد بود با :

و در صورت وقوع رزونانس موازی، امپدانس کل برابر خواهد بود با :

در صورتی که یک مدار رزونانس موازی توسط یک ولتاژ متناوب با فرکانسی نزدیک به فرکانس تشدید تغذیه شود، می تواند باعث عبور جریان های بالایی از تجهیزات شود و به آن ها آسیب برساند. از سوی دیگر در صورتی که یک مدار رزونانس موازی توسط هارمونیک های یک بار غیر خطی تغذیه شود، ممکن است باعث ایجاد ولتاژ هایی با دامنه های بزرگ  شودکه هر دو مورد بسیار مخرب بوده و اثرات منفی بر مصرف کنندگان خواهند داشت.

در شکل زیر منحنی های مربوط به راکتانس خازنی (با افزایش مرتبه هارمونیک کاهش می یابد) و راکتانس سلفی (با افزایش هارمونیک افزایش می یابد) و راکتانس کل شبکه آورده شده است. همانطور که ملاحظه می کنید، راکتانس سری کل در فرکانس رزونانس به کمترین مقدار خود می رسد (به ازای هارمونیک سوم).

برای جلوگیری از پدیده رزونانس و پیامد های مخرب آن که باعث کاهش عمر دستگاه های الکتریکی و از جمله خازن ها می شود، نیاز است که شبکه، فرکانس رزونانس متفاوتی نسبت به هارمونیک های موجود داشته باشد. رایج ترین روش، همانطور که در استاندارد IEC 61642 آمده است، نصب راکتانس موازی با خازن ها می باشد که در واقع به عنوان یک فیلتر عمل کرده و از آسیب رسیدن به خازن جلوگیری می کند. مقدار راکتور طوری انتخاب می شود که فرکانس روزنانس پایین تر از فرکانس هارمونیک شبکه قرار داشته باشد.

منابع :

• abb.com
• elness.ro