در سالهاي اخير حوادث تازه اي باعث بروز اشكال در سيستمهاي قدرت شده كه حتي از ديد دستگاههاي اندازه گيري پنهان مانده و يا سيستمهاي حفاظت را غافلگير كرده است. به عنوان نمونه در ژانويه ۱۹۹۲ يك سيستم رايانه اي جديد در يك شركت بيمه در پاريس نصب شد، اما مدت كمي بعد از وصل سيستم به برق، كليد اصلي عمل كرد و برق كل سيستم را قطع كرد. پس از صرف زمان و پول زيادي معلوم شد كه اين اتفاق به خاطر اضافه بار بيش از حد سيم نول سيستم بوده است.
با اينكه بار سيستم يك بار سه فاز متقارن بوده اما جريان عبوري از سيم نول به مقدار شگفت آور ۶۵ درصد جريان سيم فاز مي رسيد. درحالي كه مقدار جريان مجاز رله محافظ سيم نول، ۵۰ درصد مقدار جريان مجاز رله محافظ سيم فاز بود (در سيستم سه فاز متقارن، جريان سيم نول بايد صفر باشد و بنابراين مقدار ۶۵ درصد جريان فاز براي سيم نول يك اتفاق غيرمنتظره بود كه سيستم را غافلگير كرد). در يك مورد ديگر يك ترانسفورماتور KVA۳۰۰ خراب شد، درحالي كه دستگاههاي اندازه گيري نوع متوسط سنج هيچ گونه اضافه باري را نشان ندادند، اما موقعي كه ترانسفورماتور جايگزين شده نيز خيلي زود بعد از نصب خراب شد، با كمك دستگاههاي اندازه گيري موثرسنج واقعي معلوم شد كه به خاطر جريانهاي هارمونيكي ، ترانسفورماتور دچار اضافه بار قابل ملاحظه اي بوده است.
تمام اين مشكلات ريشه در يك عامل دارد و آن اعوجاج (خرابي) بيش از معمول جريان يا ولتاژ تحويلي به مصرف كننده است. اين اعوجاج چندين اثر مخرب دارد، از جمله افزايش گرماي اجزاي سيستم توزيع، نوسانات مكانيكي ژنراتورها و موتورها، خرابي عايقها يا خازنها به خاطر پديده تشديد الكتريكي و گذشته از افزايش نويز صوتي، باعث خراب شدن عملكرد سيستم هاي مخابراتي PLC و رفتار غيرقابل پيش بيني سيستمهاي حفاظت نصب شده، مي شود.
علت اصلي اين مشكلات كه نوعي آلودگي الكترومغناطيسي است، رشد وسايل الكترونيكي در سيستم قدرت است رايانه ها و تلويزيونهاي رنگي و سيستمهاي مجهز به لامپهاي خلاء حتي لامپهاي فلورسنت استاندارد، موتورهاي كنترل شده باالمانهاي الكترونيك قدرت و شارژ كننده هاي باطري از جمله اين وسايل هستند.
عامل اعوجاج هارمونيكي بارهاي غيرخطي مانند يكسوكننده هاست. هارمونيكهاي پنهان (مولفه هاي جرياني كه به فركانس اصلي وابستگي هارمونيكي ندارند) توسط بارهاي فعال آسنكرون نظير سيكلوكانورترها يا بارهايي كه در هر سيكل تغيير دارند، مانند كوره هاي قوس، توليد مي شود. تداخل الكترومغناطيسي (EMI) نويز فركانس بالاست و به خاطر لبه هاي سريع در شكل موجهاي مبدلهاي قدرت سوئيچينگ توليد مي شود. بريدگيهاي ولتاژ كه به خاطر اتصال كوتاههاي لحظه اي ولتاژ خط در خلال دوره كموتاسيون اتفاق مي افتد. پديده چشمك زدن كه به خاطر تغييرات پيوسته يا دوره اي ولتاژ (كه ناشي از تغييرات بار است) اتفاق مي افتد و باعث تغيير نور لامپ و آزار چشم مي شود.
● بررسي رشد و تغيير در سيستمهاي الكترونيك قدرت
افراد خبره در الكترونيك قدرت تخمين مي زنند كه حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد برق در كشورهاي صنعتي از طريق سيستمهاي الكترونيك قدرت مصرف مي شود و اين ميزان درحال افزايش است. بنابراين اثر آلودگي هارمونيكي بارهاي غيرخطي در سيستمهاي قدرت جدي است. به عنوان نمونه در كشور سوئيس ميزان هارمونيك در سيستم توزيع (V۴۰۰/V۲۳۰) بين سالهاي ۱۹۷۹ تا ۱۹۹۱ از ۶/۳ درصد به ۷/۴ درصد افزايش پيدا كرده است.
براي جلوگيري از رشد آلودگي الكترومغناطيسي، نهادهاي مختلف نظير IEC و IEEE استانداردهاي مختلفي وضع كردند تا حد مجازي براي هارمونيكها در سيستم قدرت مشخص شود. در همين زمان سازندگان و استفاده كنندگان تجهيزات الكترونيك قدرت نيز روشهايي براي حل اين مشكل بكار برده اند.
با تغيير نوع بارها و استفاده بيشتر از يك بار خاص، درصد هارمونيكهاي مختلف نيز ممكن است در سالهاي مختلف دچار تغيير شود و بنابراين بايد روشهاي حذف هارمونيك نيز مناسب با اين تغييرات باشد. به عنوان نمونه تغييرات هارمونيكي در سيستم توزيع كشور سوئيس را در سالهاي ۱۹۷۹ تا ۱۹۹۱ نشان مي دهد. در اين سالها هارمونيكهاي سوم و هفتم افزايش يافته اند و هارمونيك نهم نيز ظاهر شده است. اين تغيير درصد هارمونيكها به خاطر اين است كه استفاده از يكسوكننده تكفاز (كه مولد هارمونيكهاي ۷،۹،۱۱ و … است) رشد زيادي داشته، در حالي كه يكسوكننده هاي سه فاز كه قبلاً سهم بيشتري در بارهاي غيرخطي داشتند هارمونيك نهم توليد نمي كردند. نتيجه يك تحقيق در شش ساختمان اداري يك مجتمع بزرگ دانشگاهي در آمريكا نيز نشان مي دهد كه اين تغيير بافت بارهاي غيرخطي و رشد يكسوكننده هاي تكفاز (كه مولد هارمونيك مضرب سه است) باعث ۱۳۳ درصد افزايش در جريان نول شده است.
● قوانين و راههاي محدود كردن هارمونيكها
هارمونيكهاي خط و فليكر دو مورد آلودگي فركانس پايين هستند كه بيش از ساير هارمونيكها مورد توجه گروههاي استاندارد قرار گرفته اند.
IEC در سال ۱۹۸۲ يك استاندارد سه قسمتي با شماره IEC۵۵۵ منتشر كرد كه بخش اول: تعاريف، بخش دوم هارمونيكها و بخش سوم تغييرات ولتاژ بود اين استاندارد و به خصوص بخش هارمونيكهاي آن، پس از چندين بار تغيير بالاخره در اواسط دهه ۹۰ قسمتي از خانواده IEC۱۰۰۰ از سري استانداردهاي EMC شد. در آمريكا نيز استاندارد ANSI/IEEE ۵۱۹ ۱۹۹۲ محدوديتهايي براي هارمونيكهاي جريان و ولتاژ قائل شد. اين استاندارد روزآمد استاندارد قبلي IEEE ۵۱۹ ۱۹۸۱ بود كه تنها براي هارمونيكهاي ولتاژ محدوديت قائل شده بود.
در اين دو استاندارد دو گرايش ديده مي شود. استانداردهاي IEC مقدار مجاز تزريق هارمونيك وسيله برقي را مشخص مي كند و استانداردهاي IEEE مقدار مجاز آلودگي هارمونيكي در نقطه اتصال سيستم توزيع با مصرف كننده را مشخص مي كند. با قبول استاندارد IEEE بايد به وسايل الكترونيك قدرت يك سخت افزار اضافه كرد و يا آنها را دوباره طراحي كرد. سخت افزار اضافي، يك مدار شكل دهندهٔ جريان خط است كه مي تواند فعال يا نافعال باشد. به عنوان مثال استفاده از يك MOSFET قدرت و يك سلف در طرح يكسو كننده تكفاز است كه يكسوكننده را به نوع يكسوكننده تقويت تبديل مي كند.
در مقابل با قبول استاندارد IEEE، شركت برق و مصرف كننده برق (به جاي سازنده وسيله برقي) وظيفه كاهش هارمونيك را به عهده دارند.
اختلاف قابل ملاحظهٔ ديگر اينكه استاندارهاي IEC به Cénélec پيشنهاد شده است و موقعي كه Cénélec آنها را بپذيرد (همچنانكه IEC ۱۰۰۰ ۳ ۲ را پذيرفت)، آنها به عنوان استانداردهاي اروپايي پذيرفته مي شوند، يعني رعايت اين استانداردها با وضع قوانيني در اروپا اجباري مي شود. در حالي كه رعايت استانداردهاي IEEE تنها توصيه است (اجباري نيست).
يك موضوع حل نشده ديگر، تعريف مولفه هاي جريان و توان (مثلا توان راكتيو) در شرايط غيرسينوسي در شبكه هاي توزيع است. براي بررسي شرايط غيرسينوسي دو روش حوزه فركانسي و حوزهٔ زماني مطرح است. شركتهاي توزيع علاقه مندند كيفيت خرابي (و آلودگي ) موج را در حوزه فركانس و توسط چند مولفه محدود هارمونيكي نمايش دهند و بررسي كنند.
مزيت روش فركانسي اين است كه اندازه گيري خرابي موج در حوزهٔ فركانس ساده تر از اندازه گيري آن در حوزه زمان است. اما در سيستمهاي تغذيه عملي و همچنين براي كنترل فی لتر هاي اكتيو قدرت، بررسي در حوزه زمان مناسبتر است.
در مورد كاربردهاي صنعتي، يعني توانهاي بيش از KW۳، قوانين و استانداردهايي كه اين مصرف كننده ها را از نظر آلودگي هارمونيكي محدود كند وجود ندارد. البته استاندارد IEEE ۵۱۹ ۱۹۹۲ توانهاي بالا را پوشش مي دهد. اما الزام آور نيست و استاندارد اروپايي IEC ۱۰۰۰ ۳ ۴ هنوز در حد پيش نويس است و قابل اجرا نيست.
در حال حاضر حداقل ضريب توان و مقدار خرابي جريان (يا ولتاژ) در نقطه اتصال مشترك شركت برق و مصرف كننده (PCC)، موضوع مهم مورد بحث بين شركت برق و مصرف كننده است. لازم به ذكر است كه محدوده مجاز خرابي جريان (يا ولتاژ) در نقطه اتصال مشترك به طور قابل ملاحظه اي به ظرفيت جريان اتصال كوتاه در اين نقطه بستگي دارد.
براي مدتهاي طولاني تنها محدوديت شركتهاي توزيع روي مصرف كننده هاي بزرگ، توان راكتيو مصرفي بود كه اين كار با نصب يك بانك خازني مناسب در محل بار برطرف مي شد. اخيراً شركتهاي برق به محدود كردن جريان هارمونيكي تزريق شده به شبكه توجه بيشتري كرده اند و مصرف كننده هاي صنعتي را مجبور به استفاده از فی لتر هاي تنظيم پذير يا فی لتر هاي پايين گذر براي حذف هارمونيك كرده اند. متاسفانه اين فی لتر ها به خاطر امپدانس كم آنها در فركانسهاي هارمونيكي ، جريان هارمونيكي شديدي جذب مي كنند و اگر ولتاژ تغذيه حتي خرابي كمي هم داشته باشد اين جريان زياد باعث تشديد خرابي ولتاژ تغذيه مي شود. مشكل ديگر اين جبران كننده هاي نافعال كه در نقاط مختلف شبكه نصب شده اند اين است كه ممكن است با يكديگر تداخل كرده و عبور جريانهاي حاصل از پديده تشديد در اندوكتانس خطوط، ولتاژهاي هارمونيكي پيش بيني نشده اي روي ساير مصرف كننده ها توليد كنند.
در گذشته با ابتكار در طراحي و آرايش ترانسفورماتورها و مبدلهاي الكترونيك قدرت نظير آرايش ستاره – مثلث و آرايش زيگزاگ يا متوالي كردن دو مبدل يكسان كه با هم اختلاف فاز دارند هارمونيك تزريقي به خط را كاهش مي دادند. اما امروزه با ظهور كليدهاي نيمه هادي با كنترل خاموشي نظير GTO و IGBT تركيبها و آرايشهاي مختلف به آساني قابل انجام است و به كمك اين وسايل مي توان يكسوكننده با كنترل عرض پالسي (يكسوكننده PWM) با كمترين ميزان هارمونيك و ضريب توان نزديك به يك ساخت در راه حلهاي جديد، براي حذف هارمونيك از جبران كننده هاي سوئيچ استفاده مي شود كه به عنوان فی لتر اكتيو عمل مي كنند. اين جبران كننده ها بر اساس دستور سيستم كنترل مي توانند هر شكل موج جريان آلوده كننده را جذب و حذف كنند. در اين روش بدون اينكه ولتاژ تغذيه خراب شود، جريانهاي راكتيو و هارمونيكي حذف مي شوند. همچنين بارهاي جبران شده شبيه بار مقاومتي عمل مي كنند. در نتيجه پديده تشديد از بين رفته و عملكرد كل سيستم قدرت نيز بهبود پيدا مي كند.
تكنولوژي جبران كننده هاي سوئيچ بر كليدهاي نيمه هادي قدرت مانند IGBT و GTO استوار است بنابراين هزينه آن در مقايسه با فی لتر نافعال زياد است. بنابراين گرايش كنوني به طراحي سيستمهاي جبران كننده مجتمعي است كه با تركيب جبران كننده هاي نوع سوئيچ و نوع نافعال، ضمن برآورده كردن مشخصه مطلوب، هزينه را حداقل كند.
● آيا كاهش آلودگي باعث ناپايداري نمي شود؟
بسياري از وسايل الكترونيك قدرت طوري طراحي شده اند كه صرف نظر از تغييرات ولتاژ شبكه توان ثابتي از شبكه دريافت كنند. در نتيجه موقعي كه ولتاژ خط در حال كاهش است آنها جريان بيشتري از خط مي كشند، در نتيجه در مقياس سيگنال كوچك به عنوان يك مقاومت منفي ظاهر مي شوند و اين عملكرد مي تواند براي پايداري شبكه مشكل جدي ايجاد كند.
البته در حال حاضر بارهاي با توان ثابت شيوع زيادي ندارند، در نتيجه عواقب اين مساله به طور ريشه اي بررسي نشده است اما در آينده كه فشار بر مصرف كننده ها براي كاهش هارمونيك بيشتر مي شود، بارهاي با توان ثابت شيوع بيشتري خواهد يافت و مساله ناپايداري به خاطر عملكرد بارهاي با توان ثابت يك خطر جدي خواهد بود.
● برآورد هزينه
كيفيت نامطلوب برق، ساليانه خسارت زيادي را باعث مي شود، يكي از عوامل مهم كيفيت نامطلوب برق، آلودگي هارمونيكي است. بنابراين اگر آلودگي هارمونيكي بسياري از بارها كاهش يابد، از قسمت مهمي از خسارتها جلوگيري مي شود. اما حدف اين هارمونيكها نيز خود نياز به صرف هزينه و نصب وسايل جانبي دارد، پس بايد ميزان سرمايه گذاري و حجم خسارات برآورد شود. به عنوان يك نمونه جالب، با كاهش هارمونيكها در وسايل توان پايين – به عنوان مثال در رايانه هاي شخصي – تنها به خاطر صرفه جويي در كاهش تلفات سيم كشي ساختمان در مدت كمتر از سه سال سرمايه دستگاه جانبي برگشت داده مي شود.
