خانه وبلاگ
3
آذر
1391
مقاله خواندنی در خصوص:

THD در صنعت یوپی‌اس

اغلب هنگامی كه جدول مشخصات یك یوپی‌اس را می‌خوانیم، با عبارت THD و یا اعوجاج هارمونیكی كل مواجه می‌شویم. هدف ما دراین مقاله آن است كه تا حد امكان مفهوم تئوری و كاربرد عملی این اصطلاح را در صنعت یوپی‌اس برای شما خواننده محترم مشخص نماییم.

مقدمه
اغلب هنگامی كه جدول مشخصات یك یوپی‌اس را می‌خوانیم، با عبارت THD و یا اعوجاج هارمونیكی كل مواجه می‌شویم. هدف ما دراین مقاله آن است كه تا حد امكان مفهوم تئوری و كاربرد عملی این اصطلاح را در صنعت یوپی‌اس برای شما خواننده محترم مشخص نماییم. در ادامه تلاش شده است تا عوامل ایجاد هارمونیك‌ها به تفكیك بیان گردد و برای درك بهتر موضوع نمودارهایی نیز آورده شده است. همچنین اثرات انواع هارمونیك‌های جریان و ولتاژ بر روی تجهیزات مختلف به گونه‌ای آورده شده است تا لزوم حذف و كاهش هارمونیك‌ها در سیستم قابل درك باشد. پس از بررسی اثرات و مضرات هارمونیك‌ها به روش‌های حذف آن می‌پردازیم و در نهایت نقش یوپی‌اس‌های فاراتل در كنترل هارمونیك شبكه را بررسی می‌نماییم.


1- (Total Harmonic Distortion) THD
THD یا اعوجاج هارمونیك كل، یك پارامتر كیفی بوده و نمایانگرآن است كه یك شكل موج یا سیگنال تا چه حد به شكل موج سینوسی‌ نزدیك می‌باشد. مقدار THD بر حسب درصد بیان شده و هرچه میزان THD كمتر باشد شكل موج سینوسی دارای كیفیت بهتری بوده و بلندگو، آمپلی فایر، یوپی‌اس و یا دیگر تجهیزات قادر خواهند بود تا سیگنال‌ها را با كیفیت بهتر انتقال دهند. به طور مثال یك نوازنده ویولن را در نظر بگیرید؛ هر چه این فرد بتواند یك نت را صاف، بدون نویز و یا بدون صداهای مزاحم دیگر بنوازد آنگاه می‌توانیم بگوییم او سیگنالی با اعوجاج هارمونیكی كمتری تولید كرده ‌است.

اگر بخواهیم از دیدگاه ریاضی به این منظر بنگریم، طبق تئوری سری فوریه می‌توانیم هر شكل موج متناوب را از مجموع یك سری از سینوسی‌ها با مضارب تناوب شكل موج اصلی بسازیم. بعنوان مثال شكل موج سمت چپ در شكل شماره 1-1 را در نظر بگیرید كه فركانس تناوب آن 60 هرتز است. اگر از این سیگنال سری فوریه بگیریم می‌توانیم آنرا به كمك مجموع یك سری از سینوسی‌ها، همانطور كه در سمت راست شكل شماره 1-1 نشان داده شده است بازسازی نمائیم.
نمایش سری فوریه موج اعوجاج دار
شكل شماره 1-1- نمایش سری فوریه موج اعوجاج دار [1]

THDشكل موج فوق در واقع یك معیار عددی است كه بصورت كلی نشان می‌دهد كه برای بازسازی شكل موج اصلی تا چه حد به هارمونیك‌هایی غیر از مولفه 60 هرتز نیاز داریم.
بعد از این مقدمه مختصر در ارتباط با مفهوم كلی THD، به سراغ رابطة محاسباتی آن می‌رویم.

سیگنال فرضی F(t) را با فركانس f در نظر بگیرید، در صورتی كه از این سیگنال سری فوریه در فركانس پایه f بگیریم و مقدار موثر مولفه‌های ضرایب فركانس پایه را به ترتیب Hn.f,...,H3.f,H2.f,H1.f بنامیم آنگاه مقدار THD سیگنال F(t)از رابطه ذیل بدست خواهد آمد:
(1)
THD[f(t)]=(Hn.f2+...+H3.f2+H2.f2)/H12

 

تعریف بالا منطبق بر استاندارد IEC 61000 3.3.24 است كه THD به صورت نسبت مقدار موثر هارمونیك‌ها به مؤلفه پایه بیان می‌گردد همچنین ممكن است درمقالات دیگری به مقدار TDF یا فاكتور اعوجاج كل برخورده باشید كه طبق استاندارد IEC 61000 3.3.24 تعریف دیگری برای محاسبه مقدار هارمونیك‌های سیستم است و به صورت نسبت مقدار موثر هارمونیك‌ها به مقدار موثر كل بیان می‌گردد.

 

(2)
TDF[f(t)]=(VRMS2-V12)/VRMS2

 

در اكثر مواقع THD به صورت درصدی از فاكتور اعوجاج یا به صورت dB در تضعیف اعوجاج بیان می‌گردد. [2]


2- عوامل ایجاد هارمونیك‌ها
یكی از عوامل ایجاد هارمونیك‌ها به كارگیری المان‌ها و بارهای غیرخطی در سیستم است كه باعث ایجاد سیگنال‌های غیرسینوسی جریان و ولتاژ در شبكه قدرت شده كه خود موجب پیدایش اعوجاج در موج اصلی جریان و ولتاژ می‌گردد. با گسترش بارهای غیرخطی، اعوجاج ولتاژ در سیستم‌های قدرت شكل می‌گیرد كه با انتقال از منبع به سمت بارها به علت امپدانس سیستم میزان آن افزایش می‌یابد. در زیر به سه دسته اساسی از عوامل ایجاد هارمونیك‌ها اشاره می‌گردد. [3 و 4]


1-2- دسته اول: مبدل‌های الكترونیكی قدرت
شامل مبدل‌های الكترونیكی قدرت مانند یكسوكننده‌ها و اینورتر‌ها می‌باشد. به عنوان نمونه جریان و هارمونیك منبع تغذیه سوئیچینگ كه در ورودی شبكه‌ای با حدود 30 كامپیوتر قرار دارد در شكل شماره 1-2 آورده شده است. جریان ورودی در شبكه‌هایی با بار كامپیوتری كه غیرخطی می‌باشند آنچنانكه در زیر نشان داده شده است از هارمونیك بالایی برخوردار است. با توجه به میزان هارمونیك بالای جریان ورودی این بارها لزوم استفاده از یوپی‌اس‌ها با THD پایین برای حذف وكاهش این هارمونیك‌ها قابل درك است.

(الف) طیف جریان
(ب) هارمونیك برای منبع تغذیه سوییچینگ
شكل شماره 1-2- (الف) طیف جریان و (ب) هارمونیك برای منبع تغذیه سوییچینگ (SMPS) [1]

2-2- دسته دوم: وسایل فرومغناطیسی
این دسته شامل ترانس‌ها و ماشین‌های الكتریكی می‌باشند كه شكل هارمونیك جریان آن هنگامی كه در حالت اشباع شده قرار دارند در شكل شماره 2-2 آمده است.

(الف) طیف جریان
(ب) هارمونیك برای ترانسفورمرهای مغناطیسی
شكل شماره 2-2- (الف) طیف جریان و (ب) هارمونیك برای ترانسفورمرهای مغناطیسی [1]


3-2- دسته سوم: تجهیزات تخلیه‌ای
شامل لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های بخار سدیم و كوره‌های القایی می‌باشد كه شكل هارمونیك آن نیز در زیر آمده است.
(الف) طیف جریان
(ب) هارمونیك برای لامپ‌های فلورسنت
شكل شماره 3-2- (الف) طیف جریان و (ب) هارمونیك برای لامپ‌های فلورسنت [1]

 

از دیگر عوامل تولید هارمونیك‌ها می‌توان به شارژر‌های باتری، مبدل‌های فركانسی، درایورهای سرعت قابل تنظیم (PWM)، بانك‌های خازنی، كامپیوترها، كوره‌های قوس و غیره اشاره نمود كه برای نمونه شكل جریان و هارمونیك PWM در زیر آمده است.
(الف) طیف جریان
(ب) هارمونیك برای درایورهای سرعت قابل تنظیم
شكل شماره 4-2- (الف) طیف جریان و (ب) هارمونیك برای درایورهای سرعت قابل تنظیم (PWM) [1]


3- اثرات هارمونیك‌ها
برای بررسی تاثیر زیان‌بار هارمونیك‌ها می‌توان آنها را به دو دسته كلی تقسیم نمود:
  • هارمونیك‌های جریان
  • هارمونیك‌های ولتاژ
هارمونیك‌ها باعث افزایش جریان خازن‌ها، تلفات در ترانسفورمر‌ها، موتور‌ها، هادی‌ها و اختلال در عملكرد سیستم‌های كنترل، حفاظتی و ارتباطی می‌گردند. هارمونیك‌های ایجاد شده توسط بارهای غیرخطی می‌توانند بر روی بار‌های مرتبط در محل اتصال تاثیر زیادی بگذارند.
تاثیر اصلی هارمونیك‌های ولتاژ به صورت زیر طبقه‌بندی می‌گردد: [3]
  • گرم شدن اضافی ماشین‌ها و کابل‌های برق
  • خرابی بانك‌های خازنی
اثرات هارمونیك‌های جریان را می‌توان به صورت زیر طبقه بندی نمود:
  • ایجاد تداخل در سیستم‌های مخابراتی كه میزان تداخلات بستگی به مسیر و اندازه هارمونیك‌ها دارد.
  • ایجاد تلفات اضافی در ترانس‌ها و ماشین‌های الكتریكی
  • افزایش تلفات در خطوط انتقال
از موارد دیگر تأثیر هارمونیك‌ها در وسائل اندازه‌گیری می‌باشد. همچنین هارمونیك‌ها باعث عملكرد نامناسب رله‌ها، كلید‌ها، فیوز‌ها و سیستم‌های فرمان از راه دور می‌گردند. در یك نتیجه‌گیری كلی می‌توان اثرات هارمونیك‌ها را به چهار دسته اصلی تقسیم نمود.
  • اثرات بر عایق‌های تجهیزات
  • اثرات گرمایی بر تجهیزات
  • عملكرد نامناسب تجهیزات شبكه قدرت
  • تاثیر روی مدار‌های ارتباطی

4- حذف هارمونیك‌ها
یكی از كاربردی‌ترین روش حذف هارمونیك‌ها استفاده از فیلتر‌ها است. وظیفه اصلی یك فیلتر جلوگیری از عبور جریان‌های هارمونیكی و یا كاهش آن‌ها در مسیر اصلی است فیلترها به دو دسته كلی اكتیو و پسیو تقسیم می‌شوند.
در این جا به چند نوع فیلتر و دیگر روش‌های اصلاح اثرات منفی هارمونیك‌ها در سیستم اشاره می‌نمائیم. [1 و 4]
  • به كار بردن مدارات PFC یا تصحیح ضریب توان كه برای حذف هارمونیك‌های جریان و به دنبال آن كاهش هارمونیك ولتاژ در سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرند و وظیفه آنها به حداقل رساندن اعوجاج و كاهش اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان به صورت یك شبیه ساز مقاومت است (فیلتر اكتیو).
  • اضافه نمودن فیلتر شنت در سیستم كه كاملا پاسخ آن را تغییر داده و در اكثر موارد، پاسخ را بهبود می‌بخشد. فیلتر شنت هارمونیك‌های جریانی را در نزدیكی منبع تولید اعوجاج اتصال كوتاه نموده و بدین ترتیب علاوه بر برطرف شدن جریان هارمونیك، ضریب قدرت نیز اصلاح می‌گردد همچنین به دلیل صرفه اقتصادی این روش یكی از رایج‌ترین فیلترهای قابل اجرا است.
  • اضافه نمودن راكتور خطی یا ترانسفورمر به صورت سری به طور قابل توجهی هارمونیك‌ها را كاهش می‌دهد. رآكتور را بین خازن‌های اصلاح ضریب قدرت و منبع تغذیه قرار می‌دهند تا رزونانس‌های به وجود آمده بین اندوكتانس سیستم و خازن‌های اصلاح ضریب قدرت را بدون تغییر ظرفیت خازن‌ها حذف نماید.
  • تغییر ظرفیت خازن‌‌ها، كه یكی از كم هزینه‌ترین روش‌ها برای سیستم برق شهر و مصرف‌كننده صنعتی است.
  • تغییر مكان خازن به نقطه‌ای دیگر از سیستم كه دارای امپدانسی متفاوت است.
  • برداشتن خازن‌ها و به دنبال آن پذیرش اتلاف بالا، ولتاژ كمتر و Power Factor Penalty. در صورتی كه این روش بصورت تكنیكالی عملی باشد، از جمله گزینه‌های مطلوب اقتصادی می‌باشد.
  • با پیشرفت ادوات نیمه‌هادی و امكان استفاده از كنترلرهای پیچیده می‌توان حداكثر كنترل را بر روی شكل موج‌های جریان ورودی و یا ولتاژ خروجی یوپی‌اس اعمال نمود. شركت فاراتل در راستای اهداف خود، همواره برای پیشرو بودن در زمینه استفاده از تكنولوژی‌های نوین تلاش نموده است. از همین رو فاراتل با استفاده از فركانس‌های سوئیچینگ بالای 20 كیلو هرتز به همراه تكنیك‌های پیچیده كنترل لحظه‌ای، موفق به ایجاد این توانایی در یوپی‌اس‌های خود شده است كه بدون استفاده از فیلترهای پرهزینه دارای حداقل هارمونیك ولتاژ و جریان حتی در مقایسه با نمونه‌های خارجی خود باشد. همانطوركه در ادامه ملاحظه خواهید نمود عكس العمل یوپی‌اس‌های فاراتل در برابر بارهای كاملا غیرخطی را بررسی می‌نمائیم.

5- استانداردهای هارمونیك‌ها
جریان‌های هارمونیك تزریق شده توسط یكی از مصرف‌كنندگان به سیستم می‌تواند بر روی دیگر مصرف‌كنندگان نیز تاثیر منفی داشته باشد. به همین دلیل استانداردهایی برای محدود نمودن میزان تزریق هارمونیك‌های جریان توسط هر مصرف‌كننده تالیف شده است. این استانداردها برای محدود نمودن میزان تزریق هارمونیك مصرف‌كنندگان در سیستم می‌باشند و بیانگر این است كه مصرف‌كنندگان نباید اعوجاج ولتاژ غیر قابل قبول را در سیستم تولید نمایند. همچنین محدودیت‌هایی را نیز برای تمامی اعوجاج‌های هارمونیك ولتاژ تولید شده توسط سیستم اعمال می‌نمایند.

از آنجایی كه استاندارد IEC به طور جزیی‌تر و جامع‌تری به مقوله هارمونیك‌های ولتاژ و جریان پرداخته است و از طرفی صنایع ایران به سوی استفاده از استانداردهای IEC پیش می‌رود و فاراتل نیز در تولید محصولات خود بر طبق استاندارد IEC عمل نموده است، ما در این بخش بر استاندارد IEC و قوانین آن تمركز می‌نماییم و به استانداردهایی كه درباره محدودیت‌های هارمونیك بحث می‌كنند می‌پردازیم كه شامل استاندارد IEC 61000-2-2، IEC 61000-3-2 و IEC 61000-3-4 می‌باشند.

استانداردهای محدودیت‌های هارمونیك جریان برای تجهیزاتی كه جریان ورودی آنها كمتر از 16A و بیش از 16A می باشد به طور مجزا تفكیك شده است. همچنین استانداردهایی كه محدودیت انتشار هارمونیك ولتاژ را برای تجهیزات متصل به شبكه‌ای با ولتاژ پایین، ولتاژ متوسط و بالا بررسی می‌نماید در ادامه به تفكیك آمده است.
  • استاندارد هارمونیك جریان برای جریان‌های كمتر از 16A
  • IEC 61000-3-2 (2000): Electromagnetic Compatibility (EMC). Part 3: Limits. Section 2: Limits for Harmonic Current Emissions (Equipment Input Current Up to and Including 16A per Phase
  • استاندارد هارمونیك جریان برای جریان‌های بیشتر از 16A
  • IEC 61000-3-4 (1998): Electromagnetic Compatibility (EMC). Part 3: Limits. Section 4: Limitation of Emission of Harmonic Currents in Low-Voltage Power Supply Systems for Equipment with Rated Current Greater Than 16A.
  • استاندارد هارمونیك ولتاژ برای سیستم‌های ولتاژ پایین
  • IEC 61000-2-2 (1993): Electromagnetic Compatibility (EMC). Part 2: Environment. Section 2: Compatibility Levels for Low-Frequency Conducted Disturbances and Signaling in Public Low-Voltage Power Supply Systems.
  • استاندارد هارمونیك ولتاژ برای سیستم‌هایی با ولتاژ متوسط و بالا
  • IEC 61000-3-6 (1996): Electromagnetic Compatibility (EMC). Part 3: Limits. Section 6: Assessment of Emission Limits for Distorting Loads in MV and HV Power Systems. Basic EMC publication.
در خصوص استانداردهای فوق لازم به ذكر است كه پیش از 1997 استانداردهای IEC با سری‌های 1000 شماره‌گذاری می‌شد. به طور مثال IEC 61000-2-2 به صورت IEC 1000-2-2 شناخته می‌شد. استانداردهای IEC به طور عمده در میان جوامع اروپایی رایج بوده و اما همانطوركه پیش از این ذكر شد ایران در صنایع خود به سوی استفاده از استانداردهای منطبق بر IEC پیش می‌رود. استاندارد IEC تجهیزات را به چهار گروه زیر طبقه‌بندی می‌نماید:
  • گروه A: تجهیزات سه فاز و دیگر تجهیزاتی كه در سه گروه B، C و D قرار نمی‌گیرند.
  • گروه B: ابزارهای قابل انتقال
  • گروه C: تجهیزات نورانی مانند لامپ های فلورسنت
  • گروه D: تجهیزاتی كه جریان ورودی آنها دارای شكل موج خاصی است و توان اكتیو ورودی آنها كمتر از 600W می‌باشد.
استاندارد IEC برای هر یك از گروه‌های بالا محدودیت هارمونیك جریان و ولتاژ را در جدولی مجزا بیان نموده است. یوپی‌اس‌های سری SDC فاراتل جزء گروه A و سیستم‌های LV قرار می‌گیرند كه برای مقایسه بهتر و اطمینان یافتن از عملكرد صحیح یوپی‌اس‌های فاراتل در محدوده استاندارد از نظر محدودیت‌های هارمونیك‌های ولتاژ و جریان براساس استاندارد IEC در جدول 2-6، 3-6 و 4-6 آمده است.
طبق استاندارد IEC 61000-2-2 كه در جدول زیر آمده است محدوده استاندارد THD كمتر از%8 است، برای SDC1500 همانطور كه در شكل 2-5 مشاهده می‌شود THD ولتاژ%2.4 می‌باشد كه در مقایسه با مقادیر جدول زیر، رنج THD یوپی‌اس‌های فاراتل بسیار مناسب است.
محدودیت هارمونیك ولتاژ برای شبكه‌های ولتاژ پائین منطبق بر IEC 61000-2-2
جدول 1-6- محدودیت هارمونیك ولتاژ برای شبكه‌های ولتاژ پائین منطبق بر [1] IEC 61000-2-2

برای SDC1500 آنچنانكه در شكل 3-5 مشاهده می‌شود THD جریان%5.2 می‌باشد كه در مقایسه با مقادیر جدول زیر در محدوده استاندارد به خوبی عمل می‌نماید.

محدودیت‌های هارمونیك جریان برای تجهیزات گروه
جدول 2-6- محدودیت‌های هارمونیك جریان برای تجهیزات گروه [1] A


محدودیت‌های هارمونیك جریان منطبق بر استاندارد IEC 61000-3-4
جدول 3-6- محدودیت‌های هارمونیك جریان منطبق بر استاندارد [1] IEC 61000-3-4


6- مراجع:
[1]. Roger C. Dugan, Mark F.McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty, "Electrical Power Systems Quality", Second Edition, McGrow-Hill 2004
[2]. URL: wikipedia.org/wiki/Total-harmonic-distortion
[3]. تالیف شده توسط مهندسین مشاور نیرو، "استاندارد حدود مجاز هارمونیك‌ها در سیستم برق ایران"، سال 1373، وزارت نیرو-شركت توانیر سازمان برق، معاونت تحقیقات و تكنولوژی
[4]. C.Sankaran, "Power Quality", CRC press LLC 2002
 
منبع: وب سایت فاراتل
ویرایش و تبدیل به فرمت قابل انتشار توسط UPSpedia.com
مطالب برگزیده
بحث و تبادل نظر
الیاس
1394/06/09 11:35
پروژه فیلتراکتیو شنت وسری رادارید؟
باتشکر
پاسخ دهید...
حسن فرج زاده
1392/09/15 17:23
سلام
ممنون از مطلب جالب شما
در رابطه با فیلترهای پسیو هم اگر مطلبی دارید لطفا برای من ارسال کنید با تشکر از لطفتون
پاسخ دهید...
کرامت شیوخی
1392/05/02 19:07
سلام مطالب شما واقعآ مفید و به معلومات من کمک فراوانی کرد شرکت مدارات ایمن کار فعال در ضمینه ups از شما تشکر می نماید.
پاسخ دهید...
peyman amiri
1391/09/27 10:16
با سلام .ممنون از مطالب خوبتون پرو زه من راجع فیلتر های اکتیو واسه حذف هارمونیک ها است اگه راجع این مو ضوع مطالبی برام ایمیل کنین ممنون میشم
پاسخ دهید...
نظر دهید
انصراف
ثبت‌نام در خبرنامه همورا
تلاش می‌کنیم ماهیانه اطلاعات خوبی را برای شما ارسال کنیم.
بر من پا گذاشتی کوبیده‌تر سخت‌تر محکم‌تر شدم، تابیدی به من، آب شدم... (شهاب مقربین )