WHEN IS CONSULTING NECESSARY?
Consulting is typically necessary when your operations are being affected by: Equipment Shutdown, Hardware Failure, Software Programming Contamination, Programming Errors, Noise Interference, Control Problems, Component failure, Transformer and Conductor Overheating, Opening of Breakers/Blown Fuses, Power Supply Failures, Capacitor Bank Damage, Current in Grounding Conductors, Lightning Damage, Personal Shock.

OUR CONSULTING SERVICES INCLUDE:

• Review of source problems to discuss problem symptoms, effect on operations, period of problem, time problem occurs.
• Review of electrical plans to verify electrical mains, sub-mains and panels in accordance with site drawings.
• Equipment specifications verification to determine susceptibility and performance levels of equipment or loads being affected.
• Facilities visual inspection to observe any conditions requiring improvements.
• Measurements of voltage, current levels, power factor, harmonic distortion, voltage fluctuations, transients, etc.
• Earth ground testing to verify quality of grounding system.
• Electric service continuity testing to verify proper return path ground fault protection.
• Utility AC line inspection to observe current level of service and determine economical methods of improving overall site power.
• Inspect site lightning and surge suppression equipment for proper installation and grounding to ensure that lightning currents are dissipated into earth grounding system.
  
  

CONSULTING REPORT INCLUDES:

• Written Report with Findings, Measurements, Analysis, Recommendations and follow-up plan.

Address: mansuri5m@yahoo.com

Email: mansuri5m@yahoo.com

P.O.BOX: 89195-3173

YAZD-IRAN

Cell Phone : (+98) 913 154 7767

for giving my cv and resume please contact my EMAIL.

Email: mansuri5m@yahoo.com

P.O.BOX: 89195-3173

YAZD-IRAN

Cell Phone : (+98) 913 154 7767

صندوق پستی:۳۱۷۳-۸۹۱۹۵

یزد - ایران

شماره تلفن همراه : ۰۹۱۳۱۵۴۷۷۶۷

Identifying and Mitigating Harmonics in AC Drive Applications

By Rick Hoadley, Rockwell Automation
May 1, 2006 12:00 PM

The goal in an industrial environment is to find cost-effective solutions for the specified drive and power distribution system
Common to any production operation is movement, usually driven by electric motors. Better control of this movement contributes to improved operational performance. Beyond performance, however, there's also the need to protect these motors to maximize return on investment.

For reliable control and improved protection, adjustable-speed drives are a common companion to motors. Although these drives offer inherent production benefits, they may also contribute to power quality issues, such as line current harmonics. As a result, you should take a closer look at harmonics when evaluating mitigation strategies.

Fig. 1. A voltage waveform with severe flat topping can result from poorly designed motor drive applications.

Catch the wave. Compared to DC motor drives, AC motor drives cause very few problems. However, poorly designed applications can result in power line voltage distortions, as shown in the flat-topped waves of Fig. 1.

These voltage distortions can cause problems for other equipment connected to the same power lines, resulting in erratic operation of controls, dimming of lights, and overheating motors operating across the line. The distribution transformers and cables feeding these drives will also experience additional heating, which reduces the power use of those components.

Unlike the way in which a linear load draws current, such as an AC motor operating across the power line (Fig. 2), a typical AC drive draws current from a distribution transformer that's far from a sinusoidal waveform (Fig. 3). This occurs because the drive is taking current from the transformer only during certain times of the cycle to convert the 3-phase AC line voltage to a fixed DC voltage within the drive. The drive then pulse-width modulates this fixed DC voltage into variable frequency/variable voltage for the motor.

The AC-to-DC conversion is what causes the harmonics. Current flows only during part of the cycle, creating the odd-looking current waveform shown in Fig. 3. It's this distorted current that creates the voltage distortion. This is why a drive is considered a nonlinear load.

Fig. 2. This plot of motor lead voltage and current, nearly sinusoidal and undistorted, is from an AC motor running across a power line.

While the number of drives in an automation system may increase, it does not necessarily mean that those drives are the cause of all harmonic headaches. There are other pieces of equipment that rectify AC to DC and create harmonic distortion. This includes most of the equipment found on the plant floor, as well as phase-to-neutral nonlinear loads in the form of office machines like computer power supplies and copiers.

Fig. 3. This plot of AC drive input voltage and current indicates distortion due to the way in which the drive draws current from the power line.

Even fluorescent lighting ballasts can create harmonic distortion. That's why you must analyze all of the electrical loads that could potentially cause problems for a system before you rush out and fit filters to every drive.

Where's the limit? How much current harmonic distortion will cause a problem? As mentioned earlier, the current harmonics drawn by nonlinear loads — both phase-to-phase and phase-to-neutral — cause voltage distortion, which can cause improper operation of other equipment. IEEE Standard 519-1992, “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,” provides the answer. This standard recommends maximum current distortion levels caused by nonlinear loads to limit the voltage distortion they would create, thereby reducing the likelihood of equipment failure due to those harmonics. Table 1 and Table 2 below, reproduced from the IEEE Standard 519, list the limits applicable for most typical drive systems. These limits were determined for use at the metering point in the plant, also known as the point of common coupling (PCC).

Table 1. Reproduction of table 10.3 from IEEE Standard 519-1992, listing recommended current distortion limits.

Many engineers have taken these limits and used them at other locations throughout their facilities in order to reduce the likelihood of harmonic disturbances. There are opposing viewpoints on whether or not these other locations should be considered PCCs. (You can find past articles on this topic by going to www.ecmweb.com and keying in “PCC” or “point of common coupling” in the search field on the upper right of the Home page.)

Reducing harmonics. There are several methods and products you can use to reduce the line current harmonics created by drives. Similarly, there is usually more than one way to approach a specific problem.

Table 2. Reproduction of Table 10.2 from IEEE Standard 519-1992, listing recommended harmonic voltage limits.

It's not uncommon for electrical engineers and plant facility electrical maintenance personnel to oversize the solution in order to solve a perceived harmonics problem. This results in excess costs that could be avoided by better assessing the options. But cost is not the only factor that distinguishes one solution from another. For example, even though the addition of line reactors or passive filters can help reduce the current harmonics, they also will reduce the DC bus voltage within the drive at full-speed, full-load conditions. This prevents the drive from providing full power to the motor, limiting the motor's output to about 95% of its rating. This is why multi-pulse solutions could be a better fit for many situations, since no derating is necessary — and it may be less expensive than other mitigation methods for drives above 200 hp.

Table 3 lists various harmonic mitigation methods, along with comments on what you need to know, and the respective typical harmonic current associated with a 100-hp drive operation.

• Not all drive applications have a harmonics problem.

• If there is a problem, the solution doesn't always have to involve adding expensive hardware to the system.

• While plants need to take precautions, remember that each application is different.

The bottom line is to make informed decisions. Measure the load, determine how many potential harmonic sources exist, assess future conditions, and carefully consider the various options available. Then, based on the cost and benefits provided, select the solution that best meets your particular application needs.

Hoadley is technical program manager for Rockwell Automation in Mequon, Wis.

Top 10 Rules For Mitigating Harmonics

1. Take time to understand the benefits and drawbacks of each type of mitigation solution to assure you meet the requirements of the application — and that you can live with any negative effects created by the chosen harmonic reduction solution. Ask questions!

2. Identify the required point of common coupling (PCC), and apply techniques most cost effective for that location.

3. Perform a preliminary harmonic analysis on your system, and explore the effects of using various harmonic mitigation methods.

4. Add a line reactor (or DC link choke if possible) to all 6-pulse drives that do not have a DC link choke or an integral line reactor.

5. Design the system to separate linear and nonlinear loads to create a 5% voltage distortion system for the linear loads and a 10% voltage distortion system for the nonlinear loads.

6. For an even number of equally sized drives, consider a pseudo 12-pulse solution by placing half of the load on a phase shifting delta-wye (delta-star) transformer or using harmonic mitigating transformers.

7. For passive filters on generator power, select a filter with a dropout contactor terminal block for the filter capacitors. This will limit the leading power factor at no-load and stand-by operation.

8. Never use power factor correction capacitors at the input (or output) of a drive or in parallel with passive filters.

9. Consider the use of an active filter on a multiple drive system or motor control center lineup to correct for harmonic distortion.

10. Consider an active front-end if the application requires regenerative operation and harmonic compliance.

Basics of Harmonics Harmonics are deviations from the sinusoidal fundamental AC line voltage and current. Most North American electrical power operates at a frequency of 60 Hz. A harmonic frequency is an integer multiple of this fundamental frequency. So in a 60-Hz system, the second harmonic would be 120 Hz, the fifth would be 300 Hz, and so on.

The addition of any harmonic to the sinusoidal fundamental current or voltage will create distortion. The greater the amplitudes of the harmonics present, the greater the distortion in the electrical waveform. Simply put, whenever a voltage or current does not look like a perfect sinusoidal waveform, it contains harmonics.

The How's and Why's of Harmonic Distortion

By John DeDad, Senior Director, Editorial and EC&M Development

Jun 1, 2006 12:00 PM

Harmonics problems counter many of the conventional rules of power system design and operation

At one time, almost all electrical loads were linear — those that weren't made up such a small portion of the total that they had little effect on electrical system operation. That all changed, however, with the coming of the solid-state electronic revolution.

Today, we have an environment rich in nonlinear loads, such as UPS equipment, computers, variable-speed drives, and electronic fluorescent lighting ballasts. Operation of these devices represents a double-edged sword. Although they provide greater efficiency, they can also cause serious consequences to power distribution systems — in the form of harmonic distortion.

Let's take a closer look at linear and nonlinear loads to get a better understanding of the how's and why's of this distortion.

Fig. 1. With a linear load, the relationship between voltage and current is linear and proportional. The 45° diagonal line represents a fixed resistance.

Linear loads and current waveforms. Pure resistance, inductance, and capacitance are all linear. What that means is if we place a sine wave voltage of a certain magnitude across a circuit containing pure resistance, the current in the circuit follows Ohm's Law: I = E ÷ R. So, for a specific value of ohms, the relationship of volts and amperes is a straight line (Figure 1).

For example, let's say we apply 100V across a 10-ohm resistor. Per Ohm's Law, the current would then be 10A. If we double the voltage to 200V, the resulting current is 20A. For 400V, the current would be 40A, etc.

Inductances. Ohm's Law, as it applies to these types of loads, is expressed as I = E ÷ X_L, where X_L is the inductive reactance, which is equal to 2πfL, which is equal to ohms. Here, current is directly proportional to the voltage drop and inversely proportional to both the self-inductance and the frequency (f). If the frequency is constant, say 60 Hz, the relationship of voltage and current is a straight line, as we've seen with resistance.

Note that this relationship involves magnitudes only. It does not give the phase relationship between voltage (E) and current (I). Here, voltage leads current by 90°. Also, the ohmic value of X_L increases in direct proportion to frequency. So, if frequency is doubled from, say 60 Hz to 120 Hz, X_L will also double, etc., thus maintaining a linear relationship.

Capacitances. A similar situation holds for these types of loads. Here, the Ohm's Law equivalent is expressed as I = E ÷ X_C, where X_C represents capacitive reactance, which is equal to 1 ÷ 2πfC, which is equal to ohms. As with inductance, if the frequency is constant, the voltage and current relationship is a straight line. If, however, the frequency is doubled from 60 Hz to 120 Hz, the X_C ohms will be half of what it was at 60 Hz. Nevertheless, the relationship is still a straight line.

Fig. 2. With a nonlinear load, the line is curved, not straight as with a linear load. The amount of curvature is unique to each type of nonlinear semiconductor or device.

Nonlinear loads and current waveforms. Solid-state electronics is based on the use of semiconductors. These materials are totally different in that their response to voltage is not a straight line. In general, the relationship of voltage to current is represented by a curve, as shown in Figure 2. Even this is misleading because each solid-state device will have a unique response curve that is different from that of other types of semiconductor-based devices.

What this means is that with a nonlinear load, you cannot easily predict the relationship between voltage and current — unless you have an exact curve for each device. With equipment containing many solid-state devices, such an approach is impossible.

The only logical way is to use test instruments to plot the individual voltage-current relationships. The test results are often baffling. With an incoming source having a near perfect 60 Hz sine wave, the current will be significantly distorted. However, mathematical (Fourier) analysis of these distorted waves shows that they are made up of the fundamental sine wave — plus one or more harmonic current waves having a frequency that is a whole integer multiple of the fundamental frequency. For example, a 60 Hz fundamental, combined with 180 Hz and 300 Hz waves, will result in a specific type of distorted wave.

Any wave shape can be reproduced exactly by adding together a series of sine waves of particular frequency, amplitude, and timing, although it may require an infinite number of them. Therefore, nonsinusoidal waveforms consist of, and can be broken down into, some finite number of pure sine waves. The chart (click here to see chart) shows how harmonic current waveforms combine with the fundamental to form distorted waveforms.

Voltage waveform distortion. Ohm's Law also helps explain another phenomenon: distorted voltage waveforms caused by distorted current waveforms. Each harmonic current in a facility's electrical distribution system will cause a voltage at the same harmonic to exist when the harmonic current flows into an impedance. This results in voltage harmonics appearing at the load bus. For example, a 5^th harmonic current will produce a 5^th harmonic voltage, a 7^th harmonic current will produce a 7^th harmonic voltage, etc.

The equation takes the form of E = (I × Z), where Z is the impedance of an electrical load in the circuit, which in the case of motors, transformers, and similar devices, is mostly inductive. Because a distorted current waveform is made up of the fundamental plus one or more harmonics currents, each of these currents flowing through the impedance will cause a voltage drop across the impedance.

The magnitude of the current and voltage waveform distortion will depend upon the relative size of the nonlinear loads with respect to that system, the type of equipment, and the source impedance. The amount of voltage distortion increases as the percentage of nonlinear loads increases. If you assume the load bus distortion stays within reasonable limits, say less than 5%, the amount of harmonic current generated by the load is generally constant.

Let's talk about system impedance. According to the book, “Electrical Power Systems Quality” (Dugan, McGranaghan, Santoso, and Beaty, ISBN 0-07-138622-X), while the nonlinear load's harmonic currents cause the voltage distortion, the load itself has no control over the amount of distortion. If we put the same load in two different facilities with two different system impedances, we would have two different distortion values.

IEEE 519-1992, “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,” recognizes this by basically saying:

• The control over the amount of harmonic current injected into the system takes place at the end-use application.

• Assuming the harmonic current injection is within reasonable limits, the control over the voltage distortion is exercised by the entity having control over the system impedance, which is often the electric utility.

While electric utilities everywhere generate very good sine wave voltages, we must remember that the distortion increases closer to the load — and that some loads chop the current into seemingly arbitrary waveforms. When passed through a system impedance, this current can actually cause voltage distortion.

Depending on what industry you're in, the word “harmonics” can mean two different things to two different people. In their book, “Electrical Power Systems Quality,” (ISBN 0-07-138622-X) authors Dugan, McGranaghan, Santoso, and Beaty point out that, by popular convention in the power industry, the majority of times the term “harmonics” is used by itself to refer to the load apparatus; therefore, the speaker is referring to harmonic currents. On the electric utility side, however, many use the term to mean harmonic voltages. So, when talking about “harmonics” with manufacturers, utility people, technicians, etc., make sure everyone is on the same page to avoid any confusion.

Fig. A. shown are plots of different linear load currents, Ip is a pure resistive circuit current. IL is a partially inductive (lagging) circuit current. IC is a partially capacitive (leading) circuit current, which is uncommon.

Motors, incandescent lighting, and heating loads are linear in nature. That is, the load impedance is essentially constant regardless of the applied voltage. As seen in Fig. A, the current in AC circuits increases proportionately as the voltage increases and decreases proportionately as the voltage decreases.

The current in these circuits is in phase with the voltage for a resistive circuit, with a power factor (PF) of unity. It lags the voltage by some phase angle for the more typical partially inductive circuit (with a PF commonly between 0.80 and 0.95). And, it leads the voltage by some phase angle in a capacitive circuit.

Nevertheless, this current is always proportional to the voltage. For a sinusoidal voltage, the current is also sinusoidal.

Fig. B. Shown is a nonlinear load current, which is drawn only at the peak of the voltage waveform. This is the result of the nonlinear load being switched on for only part of the cycle, as in a thyristor-controlled or pulsed piece of equipment, which incorporates a controlled-rectifier circuit.

Nonlinear loads, on the other hand, are loads in which the load current is not proportional to the instantaneous voltage. This is because the load current is often not continuous, as shown in Fig. B below. This is the result of the nonlinear load being switched on for only part of the cycle, as in a thyristor-controlled circuit, or pulsed, as in a controlled-rectifier circuit.

Nonlinear loads, such as inverters, solid-state rectifiers used in welders, DC power supplies, variable-frequency drives, and electronic ballasts for lighting are sources of harmonics in the electrical system feeding these loads. There are specific harmonics associated with each item of equipment, and equipment manufacturers can usually provide information on the magnitude and order of harmonics generated by their equipment.

However, depending on the design of the specific item of equipment, the harmonics may vary in frequency and magnitude as load changes occur on the equipment. The Table lists the typical magnitude and order of harmonics for certain loads. The numbers in the harmonic order columns are percentages of the fundamental 60 Hz current.

جبران سازي توان راكتيو يكي از ابزار بهينه سازي هزينه انرژي و برگشت سريع سـرمايه است. در طول چند سال گذشته با بهره گيري از مواد جديد و روشهاي توليد پيشرفته، خازنهايي با تلفات بسيار اندك در حجم هاي كوچك ساخته شده است. با توسـعه وتوليـد كنتاكتـورهاي خـازني و رگـولاتورهاي ميكـروپرسسوري بسيار پيشـرفته كه تضمين كننده رفتار مناسب وبهينه بانك خازني به تغييرات بار است، بانكهاي خازني كاملا قابل اعتماد گرديده‌اند.

با اين وجود دلايل بسياري بر لزوم آشنايي مشاوران و مصرف كنندگان باجنبه هاي پيچيده اين موضوع وجود دارد.

 بدليل افزايش اعوجاجهاي هارمونيكي درشبكه هاي فشار ضعيف و متوسط ، طراحي بانكهاي خازني بسيار مشـكل و پيچيده شده اند. يكسو سازها، كنترلرهاي الكترونيكي موتورها، مبـدلهاي فركـانس و ديگر بارهاي الكتـرونيكي براي جبـران توان راكتيو مصرفي، نياز به خازن دارند و در عين حال اين مصرف كنندگان مولد هارمونيك هستند. در صورت نزديك بودن فركانس رزونانس مجموعه ترانس و خازن به فركانس هارمونيكها، امكان وقوع خطر بسيار محتمل است.

بنابراين به منظور اجتناب از مسايل و هزينه هاي بعدي قويا پيشنهاد ميگردد تا افراد با تجربه براي دستيابي به طرحي مناسب مورد مشاوره قرارگيرند.

اغلب دستگاهها و مصرف كنندگان الكتريكي براي انجام كار مفيد نيازمند مقداري توان راكتيو براي مهيا كردن شرايط لازم براي انجام كار مي باشند. بعنوان مثال " موتورهاي الكتريكي "A.C براي تبديل انرژي الكتريكي به انرژي مكانيكي، نيازمند توليد شار مغناطيسي در فاصله هوايي موتور هستند. ايجاد شار تنها توسط تـوان راكتيـو امكان پذير و با افزايش بار مكانيكي موتور مقدار توان راكتيو بيشتري مصرف مي گردد.

عمده مصرف كنندگان انرژي راكتيو عبارتند از :

1)- سيستم هاي الكترونيك قدرت

  الف)- مبدل هاي  AC/DC  (Rectefiers)

  ب)- مبدل هاي  DC/AC   (Inverters)

  ج)- مبدل هاي  AC/AC   (Converters)

  د)- چاپرها Choppers ))

2) مصرف كنندگان يا تجهيزاتي كه داراي مشخصه غير خطي هستند.

3) مصرف كنندگاني كه در شكل موج ولتاژ محل تغذيه خود اعوجاج (هارمونيك) ايجاد مي‌نمايند .

4) متعادل ساز هاي بار هاي نا متعادل

5) تثبيت كنندههاي ولتاژ

6) كورههاي القايي

7) كورههاي قوس الكتريكي

8) سيستم هاي جوشكاري AC , DC

همانگونه كه ذكر شد مصرف انرژي راكتيو اجتناب ناپذير است.

انتقال انرژي راكتيو، انتقال جريان الكتريكي است و انتقالش نيازمند به كابل با سطح مقطع بزرگتر، دكل هاي فشار قوي مقاومتر و در نتيجه هزينه هاي مازاد است. همچنين افزايش تلفات الكتريكي و كاهش راندمان شبكه را نيز به همراه دارد. در مواردي مانند كاربردهاي الكترونيك قدرت و متعادل سازي بارهاي نامتعادل حتي انتقال انرژي راكتيو هم كار ساز نبوده و بايد انرژي در محل توليد گردد.

خازن اصطلاحا توليد كننده انرژي راكتيو است، اما خازن توان راكتيو توليد نكرده بلكه مصرف كننده آن نيز ميباشد. فقط در زماني كه سلف انرژي راكتيو در خود ذخيره مي نمايد (ازشبكه مي كشد) خازن، انرژي ذخيره شده خود را به شبكه تحويل مي دهد و در زماني كه سلف انرژي ذخيره شده اش را به شبكه پس مي دهد خازن از شبكه انرژي مي كشد. حال اگر سلف و خازن در كنار هم قرار گيرند، هنگاميكه خازن انرژي مي دهد سلف آن انرژي را مي گيرد و زماني كه خازن انرژي مي گيرد سلف انرژي مي دهد كه موجب تعادل انرژي بين سلف و خازن گشته و ديگر تبادل انرژي بين مصرف كننده و شبكه صورت نمي گيرد.

مزاياي فني و اقتصادي كاهش هارمونيك‎‎ها

اگرچه بحث تفصيلي درمورد خسارات هارمونيك‎‎ها ، پيچيده است ولي مي‎توان در يك جمع‎‎بندي اجمالي مزاياي كاهش هارمونيك‎‎ها را به‎شرح زير بيان نمود :

1)كاهش تلفات تجهيزات الكتريكي و شبكه برق‎‎رساني

2)آزادسازي ظرفيت تجهيزات شبكه مانند موتورهاي الكتريكي و ترانسفورماتورها

3)افزايش طول عمر تجهيزات به‎دليل كاهش تلفات و كاهش درجه حرارت

4)كاهش احتمال رزونانس موازي و سري در شبكه

5)افزايش راندمان موتورهاي الكتريكي

6)كاهش خطاي عملكرد رله‎‎ها ، تجهيزات كنترلي و حفاطتي شبكه ناشي از تأثيرات هارمونيك‎‎ها

7)كاهش خطاي قرائت دستگاه‎‎هاي اندازه‎گيري و كنتورها و در نتيجه كاهش خطاي مبالغ دريافتي از مشتركين

8) عملكرد بهتر تجهيزات شبكه و مشتركين از جمله ماشين‎‎هاي الكتريكي به‎دليل كاهش اثر گشتاورهاي مخالف به‎واسطه برخي از هارمونيك‎‎ها

9)بهبود رضايت مشتركين به‎دليل بهبود كيفيت توان

استانداردها

استانداردهای مختلف دنیا و استاندارد ایران در این زمینه موجود می باشد. در صورت نیاز تماس بگیرید.

علت ايجاد اعوجاج هارمونيكي

اعوجاج هارمونيكي در سيستم‎هاي قدرت ناشي از عناصر غيرخطي مي‎باشد. عنصر غيرخطي عنصري است كه جريان آن متناسب با ولتاژ اعمالي نمي‎باشد افزايش چند درصدي ولتاژ ممكن است باعث شود كه جريان دوبرابر شده و نيز موج جريان شكل ديگري به خود بگيرد. اين مورد ساده اي از منبع توليد اعوجاج در سيستم قدرت مي‎باشد.

هر شكل موج اعوجاجي پريوديك را مي‎توان به صورت جمع موج‎هاي سينوسي بيان نمود. يعني وقتي كه شكل موج از يك سيكل به سيكل ديگر تغيير نكند، اين موج را مي‎توان به صورت جمع امواج سينوسي خالص كه درآن فركانس هر موج سينوسي، مضرب صحيحي از فركانس اصلي موج اعوجاجي است نمايش داد. اين موج‎هاي سينوسي كه فركانس آن‎ها ضريب صحيحي از فركانس اصلي مي‎باشند، هارمونيك‎هاي مؤلفه اصلي گويند. جمع اين موج‎هاي سينوسي به سري فوريه معروف است اين مفهوم رياضي اولين بار توسط فوريه رياضيدان فرانسوي مورد توجه قرار گرفت.

تجهيزات آسيب‎‎پذير

موتورهاي الكتريكي ازجمله وسايلي هستند كه درمعرض بيشترين اثر نامطلوب هارمونيك‎ها قراردارند، هارمونيك حاصل‎‎از ولتاژ تغذيه باعث تلفات بالاتر در موتورهاي الكتريكي شده كه باعث كاهش ظرفيت‎ نامي مي‎‎شود. كاهش عمر و فرسوده شدن عايق‎‎بندي موتور به‎‎‎خاطر افزايش دماي داخلي بالاتراز ميزان نامي، از ديگر اثرات نامطلوب هارمونيك‎ها در موتورهاي الكتريكي است.

سيستم عايق‎‎بندي آسيب‎‎پذيرترين قسمت يك موتور الكتريكي درمقابل افزايش دماي حاصل‎‎از هارمونيك است. تسريع در‎ فرسايش، خطا و مشكلات عايقي و كاهش عمر معمول‎‎ترين نشانه‎‎هاي مشاهده شده در سيستم‎هاي عايقيِ درمعرض اضافه حرارت، مي‎‎باشد.

منابع توليد هارمونيك

پيدايش عناصر نيمه هادي و المان‎‎هاي غيرخطي نظير ديود ، تريستور و ... و استفادة فراوان از آنها در شبكه‎‎هاي قدرت عامل جديدي براي ايجاد هارمونيك در سيستم‎هاي قدرت به‎وجود آورد. كاربرد اين عناصر را مي‎توان در تجهيزات و سيستم‎هاي قدرت زير ديد:

-         كوره‎هاي قوس الكتريكي و القايي

-         يكسوكننده‎‎ها و مبدل‎‎هاي الكترونيك قدرت

-         تجهيزات مورد استفاده در كنترل‎‎كننده‎هاي سرعت ماشين‎هاي الكتريكي ( VSD)

-         كاربرد SVC بعنوان ابزار مهمي دركنترل توان راكتيو

-         بارهاي غيرخطي شامل دستگاه‎‎هاي جوشكاري

-         جريان مغناطيسي ترانسفورماتور

از سوي ديگر عوامل زير را نيز مي‎توان به عنوان توليدكنندة هارمونيك در نظر گرفت:

-         توليد شكل موج غير سينوسي توسط ماشين‎هاي سنكرون ناشي از وجود شيارها و عدم توزيع يكنواخت سيم‎‎پيچي‎هاي استاتور

-         توزيع غير سينوسي فوران مغناطيسي در ماشين‎هاي سنكرون

همچنين صنايع زير را مي‎توان از جمله عوامل توليد هارمونيك در شبكه‎هاي الكتريكي محسوب نمود:

-    صنايع شامل مجتمع‎هاي شيميايي و پتروشيمي و نيز صنايع ذوب آلومينيم كه از يكسوكننده‎هاي پرقدرت براي توليد برق DC مورد نيـاز انجام فرآيندهاي شيميـائي و ذوب آلومينيـم استفـاده مي‎كنند. با توجـه به قـدرت بالا، اين يكسـوكننده‎ها هارمونيك قابل ملاحظه‎اي در شبكة قدرت به وجود مي‎آورند.

-    استفاده از سيستم‎هاي الكترونيك قدرت در سيستم حمل و نقل برقي مانند اتوبوس برقي و متروها باعث مي‎شود سطوح زيادي از هارمونيك به سيستم توزيع تزريق شود.

-    بارهاي غيرخطي مانند كوره‎هاي قوس الكتريكي كه در صنايع  ذوب‎‎آهن استفاده مي‎شود از عوامل توليد هارمونيك در مقياس بزرگ مي‎باشند.

مقدمه

هنگامي‎‎كه استفاده از مبدل‎هاي الكترونيك قدرت در اواخر دهه 1970 معمول گرديد، توجه بسياري از مهندسين شركت‎هاي برق درمورد توانايي پذيرش اعوجاج هارمونيكي توسط سيستم‎هاي قدرت را برانگيخت . پيش‎‎بيني‎هاي مأيوس‎‎كننده‎‎اي از سرنوشت سيستم‎‎هاي قدرت درصورت اجازه استفاده ازاين تجهيزات انجام گرفت. درحالي‎‎كه بعضي ازاين نگراني‎ها احتمالاً بيش از حد قلمداد گرديدند، ولي بررسي مفهوم كيفيت برق مديون اين افراد به‎دليل پيگيري آنها درمورد اين مسئله مي‎‎باشد.

بروز هارمونيك در سيستم‎هاي برق اولين پيامد عناصر غيرخطي در شبكه است. به‎‎‎خاطر گسترش فزاينده استفاده از عناصر غيرخطي در سيستم‎‎هاي برق، مانند راه‎‎اندازها (درايورهاي تنظيم سرعت) و مبدل‎‎هاي الكترونيكي قدرت، مقدار هارمونيك شكل موج جريان و ولتاژ به‎‎‎طور چشمگيري افزايش يافته است و بنابراين اهميت موضوع كاملاً مشخص است.

بررسي مسائل هارمونيك‎‎ها منجر به تحقيقاتي گرديد كه نتايج آن نقطه‎‎نظرات متعددي درمورد كيفيت برق بود. به‎‎نظر برخي از محققين، اعوجاج هارمونيكي هنوز مهمترين مسئلـه كيفيت برق مي‎‎باشد. مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين معمولي طراحي سيستم‎هاي قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلي مغاير است. بنابراين مهندس برق با پديده‎‎هاي ناآشنايي روبرو مي‎‎شود كه نياز به ابزار پيچيده و تجهيزات پيشرفته براي حل مشكلات و تجزيه و تحليل آنها دارد. گرچه تحليل مسائل هارمونيكي مي‎‎تواند دشوار باشد، ولي خوشبختانه همة سيستم قدرت داراي مشكل هارمونيكي نيست و فقط درصد كمي از فيدرهاي مربوط به سيستم‎هاي توزيع تحت‎‎تأثير عوامل ناشي از هارمونيك‎‎ها قرار مي‎‎گيرند. مشتركين برق در صورت وجود هارمونيك‎ها مشكلات زيادتري از شركت‎هاي برق را تحمل مي‎كنند. مشتركين صنعتي كه از محركه‎‎هاي موتور با قابليت تنظيم سرعت، كوره‎‎هاي قوس الكتريكي، كوره‎‎هاي القايي، يكسوكننده‎‎ها ، اينورترها، دستگاه‎‎هاي جوش و نظاير آن استفاده مي‎‎كنند، نسبت به مسائل ناشي از اعوجاج هارمونيكي ضربه‎‎پذيرتر از بقية مشتركين مي‎باشند.

اعوجاج هارمونيكي يك پديده جديد در سيستم‎هاي قدرت به شمار نمي‎رود. نگراني ناشي از اعوجاج در بسياري از دوره‎ها درسيستم‎هاي قدرت الكتريكي جريان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوي منابع و مطالب تكنيكي دهه‎هاي قبل نشان مي‎دهد كه مقالات مختلفي دررابطه با اين موضوع انتشار يافته است. اولين منابع هارمونيكي شناخته‎‎شده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستم‎هاي تلفن پديد آمد. استفاده گروهي از لامپ‎هاي قوس الكتريك به‎‎‎دليل مؤلفه‎هاي هارمونيكي توجهات خاصي را برانگيخت ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدل‎هاي الكترونيك قدرت در سال‎هاي اخير نبوده است.

خوشبختانه در طي اين سال ها پژوهشگران متوجه شده اند كه اگر سيستم انتقال به نحو مناسبي طراحي گردد، به‎‎نحوي كه بتواند مقدار توان مورد نياز بارها را به راحتي تأمين نمايد، احتمال ايجاد مشكل ناشي از هارمونيك‎ها براي سيستم قدرت بسيار كم خواهدبود، گرچه اين هارمونيك‎ها مي‎توانند موجب مسائلي در سيستم‎هاي مخابراتي شوند. اغلب در سيستم‎هاي قدرت مشكلات زماني بروز مي‎كنند كه خازن‎هاي موجود در سيستم باعث ايجاد تشديد دريك فركانس هارمونيكي گردند. دراين شرايط اغتشاشات و اعوجاجات، بسيار بيش از مقادير معمول مي‎گردند. امكان ايجاد اين مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولي شرايط بدتر در سيستم‎هاي صنعتي به‎دليل درجه زيادي از تشديد رخ مي‎دهد.

برخي از اثرات كاهنده كيفيت توان، روش تشخيص، راه كارهاي كاهش آنها

( خلاصه )

فرم مميزي انرژي موتورهاي الكتريكي

(نمونه فرم )

شماره فرم:                                                                                    تاريخ:

تكميل كننده:                                                                       تأئيد كننده:

فرم برداشت اطلاعات كيفيت توان

(نمونه )

دوره آموزش كيفيت توان

دوره آموزش كيفيت توان:

تجهيزات برگزاري دوره : ويدو پروژكتور، وايت برد، دستگاه اندازه گيري كيفيت توان، يك بار غير خطي كنترل شونده

مدت دوره دوره فشرده 16 ساعت، به منظور آشنايي و آمادگي اوليه

مدت دوره آموزشي كامل 40 ساعت، به منظور ارتقاء دانش فني گروه فني.

مراحل ارزيابي كيفيت توان

مراحل ارزيابي كيفيت توان

1-   اخذ اطلاعات شبكه:

-         بارها، دياگرام تك خطي

-         رفتار بار، حداكثر و حداقلها، حساسيتها، خاموشي

-         آمار بارگيري و بارها ( در بازه‌هاي روزانه، هفتگي، ماهيانه و سالانه )

-         جمع آوري مشكلات شبكه

2-    برداشت اطلاعات، نصب دستگاه

-         نصب دستگاههاي اندازه گيري كميتهاي دائم، گذرا

-         اندازه گيري طبق بازه‌هاي تعريف شده در استاندارد

3-   تحليل و ارئه گزارش

-         تحليل آماري و ترسيم نمودارها

-         مشخص سازي نوع آلودگي

-         ارائه راه كارهاي اجرايي

-         تحليل اقتصادي راه‌كارهاي پيشنهادي ( بررسي هزينه ها و بازدهي اقتصادي )

دوره آموزش مديريت مصرف انرژي

دوره آموزش مديريت مصرف انرژي:

تجهيزات برگزاري دوره : ويدو پروژكتور، وايت برد، دستگاه اندازه گيري ثبات انرژي.

مدت دوره دوره فشرده 16 ساعت، به منظور آشنايي و آمادگي اوليه

مدت دوره آموزشي كامل 40 ساعت، به منظور ارتقاء دانش فني گروه فني.

 حداكثر شركت كنندگان در دوره كامل 10 نفر مي‌باشد.

بهبود كيفيت برق

از آنجا كه انرژي مولد و متحرك ماشين آلات صنعتي انرژي الكتريكي مي‌باشد كيفيت و سالم بودن آن در توليد با كيفيت و سطح بالا، بسيار مؤثر مي‌باشد. اخيراً با توجه افزايش آلاينده‌هاي كيفيت برق نظير بارهاي غيرخطي، بارهاي الكترونيكي و الكترونيك قدرتي، كيفيت انرژي الكتريكي كاهش يافته و منجر به زيانهاي بسياري براي صنايع گرديده است.

بهبود كيفيت برق و كاهش عوامل آلاينده آن ( نظير هارمونيكها، افت و خيزهاي ولتاژ و …) مي‌تواند مزاياي زير را براي صنايع در بر داشته باشد:

-         جلوگيري از اغتشاشات و عملكرهاي ناصحيح سيستمهاي الكترونيكي و كنترلي

-    جلوگيري از كاهش طول عمر تجهيزات برق نظير ترانسفورماتورها، كابلها، سيستمهاي الكترونيكي و كنترلي نظير كنترل دورها، PLCها و …

-         جلوگيري از تلفات انرژي و خطاي سيستمهاي اندازه‌گيري

خدمات ما در اين راستا عبارتند از :

1-  بررسي ، اندازه گيري و تحليل وضعيت برق: با اندازه‌گيري و تحليل و بررسي بارهاي مصرفي در كارخانه به تعيين وضعيت كارخانه از نظرآلودگي و درجه تخريب تجهيزات و برآيند اقتصادي از آنها و رفع مشكلات سيستمهاي كنترلي  مي‌پردازد.

2-  خدمات مشاوره‌اي: در ادامه خدمات مشاوره‌اي در زمينه بهبود كيفيت برق، جلوگيري از تخريب و كاهش طول عمر تجهيزات و … مي‌پردازد. خدمات مشاوره‌اي ما بسيار تخصصي مي‌باشد.

3-  ارائه تجهيزات بهبود كيفيت برق: ما بصورت منحصر بفرد، در كشور ارائه كننده تجهيزات كنترل و بهبود كيفيت برق مي‌باشیم.

علاوه بر ارائه راه‌كارهاي پيشگيرانه و ارائه پيشنهادات اصلاحي، تجهيزاتي نظير فيلترهاي پسيو، راكتورها، چوكها، ترانسفورماتورها و … كه حذف يا كاهنده هارمونيكهاي مي‌باشند ارائه می نمائیم.

4-   دوره آموزشي برق كيفيت برق: از ديگر فعاليتهاي ما برگزاري دوره آموزشي بهبود كيفيت برق مي‌باشد. با توجه به افزايش آلاينده‌هاي انرژي الكتريكي و افزايش خرابيها و عملكردهاي ناصحيح سيستمهاي كنترلي در صنايع آموزش كادر فني در صنايع در راستاي اهداف زير لازم مي‌باشد:

-         جلوگيري از ايجاد آلاينده‌هاي الكتريكي

-         رفع اشكالات ناشي از كيفيت پائين برق

-         افزايش طول عمر تجهيزات

-         استفاده بهينه از تجهيزات و ماشين آلات

با توجه به افزايش آلاينده‌هاي شبكه هاي برق و افزايش حساسيت ماشين آلات صنعتي، وزارت نيرو اقدام به صدور بخشنامه‌ها و محدوديتهايي براي صنايع و مصرف كنندگان آلوده كننده شبكه هاي برق نموده است، لذا كليه صنايع مجبور به حفظ حدود استاندارد كيفيت توان مي‌باشند تا از ايجاد اشكال و آلودگي شبكه هاي برق جلوگيري گردد و حقوق ديگر مصرف كنندگان رعايت گردد.

          در اين راستا وزارت نيرو به شركتهايي مورد تأئيد خود مجور مميزي و ارزيابي كيفيت توان داده است تا به مصرف كنندگان و صنايع پس از اندازه گيري، تحليل، ارائه راه كار و كاهش عوامل آلاينده ، تأئيديه‌اي مبني بر رعايت حدود استاندارد كيفيت برق ارائه نمايند.

بهينه سازي مصرف انرژي

كاهش هزينه‌هاي توليد يكي از اصول ماندگاري در بازار توليد و اصل سود آور در توليد مي‌باشد، با توجه به اهميت هزينه‌هاي انرژي در خطوط توليد موضوع بهينه سازي مصرف انرژي در سالهاي اخير مطرح گرديده‌است و صاحبان صنايع را بر آن داشته است كه مصرف انرژي خطوط توليد خود را كاهش دهند. از آنجا كه عمومي‌ترين انرژي مصرفي در صنعت انرژي الكتريكي مي‌باشد در راستاي فعاليتهاي خود اقدام به مشاوره و اجراي طرحهاي بهينه سازي و حداقل سازي مصرف انرژي برق نموده است.

خدمات زير قابل ارائه مي‌باشد:

-         بررسي و بازديد از خط توليد،

-          اندازه‌گيري با دستگاههاي پيشرفته،

-         جمع آوري اطلاعات،

-         تحليل و ارائه راه‌كارهايي جهت كاهش هزينه برق مصرفي ( اكيتو و راكتيو )

-         برگزاري دوره‌هاي آموزشي مديريت مصرف به منظور ارتقاء دانش فني پرسنل

-         ارائه تجهيزات افزايش راندمان انرژي در صنعت ( بصورت انحصاري در ايران )

-         ارائه تجهيزات مونيتورينگ، ثبات و مديريت انرژي

-         مشاوره در زمينه خريد برق و تعرفه‌ها

عمده هزينه دريافتي از صنايع بصورت تفاوت هزينه برق مصرفي در يك بازه شش ماهه مي‌باشد كه از اينرو ( رايگان بودن اين خدمات براي صنايع ) مورد استقبال بسيار صنايع قرار گرفته و هم اكنون چندين طرح در صنايع بزرگ استان در حال پياده سازي مي‌باشد.

كيفيت برق

در چندين دهه قبل زمانيكه برق به عنوان يك كالاي تجاري مطرح گرديد ، هزينه‌اي از مصرف كنندگان برق دريافت مي شد كه معادل هزينه انرژي اوليه براي توليد برق و هزينه‌هاي سربار آن بود.

چند دهه بعد، شركتهاي متولي توليد برق متوجه شدند كه هزينه ديگري بايد از مصرف‌كنندگان اخذ شود زيرا مشاهده شد كه نوع ديگري از توان در شبكه بين مصرف كننده و توليد كننده وجود دارد كه به نام توان راكتيو يا مجازي ناميده شد، توليد كننده براي توليد آن هزينه‌اي نمي‌پرداخت و براي مصرف كننده نيز كاري انجام نمي‌داد در نتيجه براي توليدكنندگان هزينه‌اي نداشت و براي مصرف‌كنندگان فايده‌اي نداشت اما مشكلاتي براي شبكه برق و توليدكنندگان برق ايجاد مي كرد از جمله ، اشغال ظرفيت خطوط و تجهيزات و افزايش تلفات انتقال ، محدودشدن تحريك نيروگاهها و … كه باعث شد شركتهاي برق جريمه‌اي به عنوان جريمه توان راكتيو از برخي مشتركين دريافت نمايند.

          توان راكتيو مقدار تواني بود كه بين مصرف‌كننده و توليدكننده بصورت نوساني جابجا مي شود.

در برق عناصر مقاومتي توان راكتيو توليد نمي‌نمايند ولي خازن و سلف  توان راكتيو توليد مي‌‌نمايند با اين تفاوت كه رفت و برگشت توان در آنها با شبكه 180 اختلافي فاز دارد يعني خازن در نيم سيكل اول از شبكه انرژي مي گيرد در نيم سيكل دوم همان انرژي را به شبكه برمي‌گرداند ولي سلف عكس آن است. درنتيجه براي حذف توان راكتيو، هر مصرف‌كننده بايد به اندازه سلف خود خازن و يا به انداره خازن خود، سلف قرار دهد تا اين جابجايي انرژي در دو نيم سيكل بين اين دو عنصر صورت گيرد و مصرف كننده با توليدكننده توان راكتيو تبادل ننمايد.

اين قضيه ادامه داشت تا اينكه در دهه اخير شركتهاي برق متوجه شدند كه مصرف‌كننده‌ها از ديد توان اكتيو و راكتيو با هم مساوي نيستند. بعنوان مثال، يك مصرف كننده كه 10KW برق را براي لامپ روشنايي مصرف مي كند با يك مصرف كننده كه 10KW براي جوشكاري مصرف ميكند از ديد شركت برق يكسان نيستند ولي هر دو يك هزينه برق پرداخت مي‌كنند در حالي كه دستگاه جوشكاري مشكلات متعددي نظير نوسانات ولتاژ ، صدمه به لوازم خانگي و .. را همراه دارد.

در اينجا بود كه موضوعي به نام كيفيت مصرف برق مطرح شد و شركتهاي برق به وضع قوانيني پرداختند كه در آن هزينه سومي به عنوان كيفيت مصرف برق مشخص شد كه در آن هزينه پرداختي مصرف‌كنندگان فقط به مقدار توان اكتيو و راكتيو آنها بستگي ندارد و به نحوه مصرف برق بستگي  دارد.

در ادامه چنانچه برق را به يك رودخانه‌اي تشبيه نمائيم كه از نيروگاهها سرچشمه مي‌گيرد و در طول مسير خود ( توسط شبكه‌ ) به مصرف كننده‌هاي مختلفي انشعاب مي‌گيرد. يك مصرف‌كننده كه برق را با كيفيت بد مصرف مي نمايد، در اين مثال مانند اين است كه در محل مصرف آب رودخانه آن را آلوده مي‌نمايد بر اساس نوع آلودگي و حجم آن، اين آلودگي مي تواند به انشعابها بالاتر رودخانه نيز سرايت نمايد و از آن طريق آب مصرفي ديگر مصرف كنندگان نيز آلوده گردد.

اين موضوع دقيقاً در شبكه هاي برق رخ مي دهد و بر اساس نوع و مقدار آلودگي يك مصرف كننده به مصرف كنندگان ديگر آسيب مي بيند يك مثال ساده آن ، همان كم نور شدن يا سوسوزدن است لامپ خانه شما است در هنگامي كه در همسايگي شما جوشكاري در حال انجام كاراست.

از طرف ديگر مصرف‌كنندگان برق نيز با توجه به اينكه دستگاههاي برقي روز به روز حساستر مي‌شوند نياز به برق سالمتر و با كيفيت بهتر دارند كه در دهه اخير مصرف‌كنندگان نيز مدعي خريد برق با كيفيت مورد نظر خود هستند و اين موضوع بحث كيفيت توان (  POWER QUALITY ) را جدي تر نموده است.

براي اندازه گيري كيفيت مصرف برق پارامترهايي مطرح شدند كه عبارتند از : هارمونيك ،فليكر، افت ولتاژ ، اضافه ولتاژ ، حالتهاي گذرا و … كه در شماره هاي بعد به شرح هر يك از آنها پرداخته مي‌شود.

Author

I am MAHDI MANSURI.

Education:

1- Bs in Electrical-Electronic Engineering from Sharif University of Tehnology , Tehran, Iran, 1993.

2- Msc in Electrical-Power Electronic Engineering from Sharif University of Tehnology , Tehran, Iran, 1995.

( This Page will be completed )

Email: mansuri5m@yahoo.com

اینجانب محمد مهدی منصوری می باشم.

تحصیلات:

۱-کارشناسی برق - الکترونیک از دانشگاه صنعتی شریف ( تهران - ایران ) ۱۳۷۷

۲- کارشناسی ارشد برق - قدرت از دانشگاه صنعتی شریف ( تهران -

ایران ) ۱۳۷۹

برای دریافت رزومه و سوابق اجرایی نویسندگان این سایت با ادرس تماس بگیرید.

( این بخش تکمیل خواهد شد )

می توانید با نظرات خوبتان اینجانب را در بهبود این صفحات یاری نمائید. آدرس پست الکترونیکی اینجانب mansuri5m@yahoo.com می باشد.