پایان نامه بررسي منابع هارمونيك در سيستم هاي فشار قوي و روشهاي كاهش آن

چكيده :

فصل اول: در اين فصل به بررسي مقدماتي در مورد هارمونيك ها و كيفيت برق داشته و همچنين تعريفي از هارمونيك ارائه شده مي نمايد. در مورد بعضي از استانداردهاي هارمونيكي نظير THD و DIN نيز بحث مي نمايد.

فصل دوم: در مورد منابعي كه هارمونيك ها را توليد مي نمايند بحث مي نمايند كه هارمونيك ها مي توانند از مصرف كننده هاي فشار ضعيف مانند كامپيوترها و لوازم خانگي باشند تا كوره هاي الكتريكي و مبدل هاي AC/DC بزرگ

فصل سوم: در مورد اثرات هارمونيك ها بر روي عملكرد تغييرات و دستگاهها مي‌باشد و همچنين در مورد آثار مضر آنها بر روي خازنها، دامپرهاي روشنايي، موتورها، ترانسها، رله ها و … بحث مي‌شود.

همچنين بحثي نيز در مورد توان هارمونيكي نيز خواهد داشت.

فصل چهارم: فصل نهائي اين پروژه راه كارهاي ممكن جهت حذف هارمونيك ها را ارائه مي نمايد كه مي توان از روشهاي چند پالسه، فيلترهاي فعال و غير فعال و روش تزريق جريان نام برد.

مقدمه :

با پيشرفت تكنولوژي و استفاده روز افزون از تجهيزات با تكنولوژي بالا مانند كامپيوترها و كنترل كننده هاي برنامه پذير منطقي ( PLC) كه وابستگي بيشتري به انرژي الكتريكي و كيفيت آن دارند، ديگر تنها استفاده از انرژي الكتريكي مورد پذيرش نبوده، بلكه كيفيت و خصوصيات برق تحويلي نيز مهم است. از سوي ديگر گسترش روز افزون استفاده از تجهيزاتي مانند كنترل كننده هاي سرعت، محركه هاي تغيير دهنده فركانس و خازن هايي كه براي اصلاح توان راكتيو به كار مي روند، همگي موجب كاش كيفيت برق و ايجاد مشكلات متعدد براي تجهيزات الكترونيكي مي شود. لذا با در نظر گرفتن افزايش حساسيت تجهيزات و استفاده روز افزون از تجهيزاتي كه موجب كاهش كيفيت برق مي شوند، مبحث كيفيت برق روز به روز از اهميت بيشتري برخوردار مي گردد.

شبكه قدرت ايده ال شبكه اي است كه در آن انرژي الكتريكي به صورت ولتاژ و جريان سينوسي در فركانس ثابت و در سطوح ولتاژ مشخص از سوي نيروگاه ها به مراكز مصرف منتقل مي شوند. اما در عمل وجود و تجهيزات با مشخصه غير خطي و بخصوص ادوات الكترونيك قدرت در بخش هاي مختلف توليد، انتقال و مصرف انرژي الكتريكي، موجب پيدايش اعوجاجات هارمونيكي در شكل موج سينوسي جريان ولتاژ در شبكه قدرت مي شود. اين موضوع اهميت آشنايي و مطالعه هارمونيك ها در شبكه قدرت را به عنوان يك شاخه جديد در مهندسي قدرت مطرح مي نمايد.

لذا در اين پروژه سعي بر آن داشتم كه از چگونگي توليد هارمونيك ها و اثرات آنها تا راه هاي كاهش هارمونيك ها مباحثي هر چند اندك بيان شود. اميد بر آن است كه حق مطلب ادا گرديده باشد.

فصل اول

شناخت و بررسي

مقدماتي هارمونيك ها

(1-1) كليات

يكي از مسائل و مشكلات كيفيت برق در سيستم هاي توزيع و انتقال، مسئله هارمونيك ها مي باشد كه توجه زيادي را به خود جلب نموده است به طوري كه مطالب بسياري را در اين خصوص مي توان در كتب و مقالات گوناگون جستجو نمود.

اعوجاجات هارمونيكي باعث ايجاد مشكلات خاصي در شبكه هاي قدرت مي شوند. از جلمه اين مشكلات مي توان به عدم عملكرد مناسب تجهيزات و نيز كاهش عمر و پايان آمدن راندمان دستگاه ها اشاره نمود.

در چنين حالتي مطالعه هارمونيك ها و ارائه يكسري قوائد و مقررات اجتناب ناپذير خواهد بود. محدد نمودن اعوجاج  هارمونيكي هم از نظر شركتهاي برق و هم از نظر مشتركين لازم مي باشد. شركتهاي برق بايد محدوديتهايي را ارائه نمايد تا از آسيب ديدگي تجهيزات مشتركين، اعم از مشتركين خانگي و صنعتي جلوگيري شود. از طرف ديگر با توجه به اينكه ايجاد يك موج كاملاً سينوسي از طرف شركتهاي برق  نمي تواند تضمين شود، لذا مشتركين بايد اعوجاج ها توليد شده توسط تجهيزات خود را محدود نمايند.

مشتركين برق در صورت وجود هارمونيك ها مشكلات زيادتري از شركت هاي برق را تحمل مي كنند. مشتركين صنعتي كه از محرك هاي موتور با قابليت تنظيم سرعت، كوره‌هاي قوس الكتريكي، كوره هاي القايي و نظاير آن استفاده مي كنند، نسبت به مسائل ناشي از اعوجاج  هارمونيكي ضربه پذير از بقيه مشتركين ميباشند.

شركتهاي برق فرض مي كنند كه موج ولتاژ سينوسي توليد شده در مراكز توليد انرژي الكتريكي، بدون هارمونيك است. در اغلب اعوجاج ولتاژ در سيستم هاي انتقال كمتر از يك درصد است. به هر حال هر چه به سمت مشتركين نزديك تر شويم، ميزان اعوجاج هارمونيكي بيشتر خواهد شد از سوي ديگر در بعضي بارها، موج جريان، كاملاً از حالت سينوسي خارج شده و داراي اعوجاج زيادي مي گردد.

با وجود اينكه در برخي مواقع اعوجاج در سيستم به صورت تصادفي است ليكن اغلب اعوجاج ها به صورت پريروديك هستند بدين معني كه سيكل هاي متوالي تقريباً شبيه به هم بوده و ممكن است به آرامي تغيير كنند.

اين مفهوم در اصل همان واژه هارمونيك را توصيف مي كند. وقتي كه استفاده از مبدل هاي الكترونيك قدرت در اواخر دهه 1970 معمول گرديد، توجه بسياري از مهندسين در مورد توانايي پذيرش اعوجاج هارمونيكي توسط شبكه هاي قدرت را برانگيخت. پيش بيني هاي مأيوس كننده اي از سرنوشت سيستمهاي قدرت در صورت اجازه استفاده از اين تجهيزات انجام گرفت.

در حالي كه بعضي از اين نگراني ها احتمالاً بيش از آنچه اهميت داشت مورد توجه قرار گرفت، ليكن بررسي مفهوم كيفيت برق مديون اين افراد به دليل پيگيري آنها روي اين مسأله جديد مي باشد. بررسي مسائل هارمونيك ها منجر به تحقيقاتي گرديد كه نتايج آن نقطه نظرات بسياري را در خصوص كيفيت برق ايجاد نمود. به نظر برخي از محققين، اعوجاج هارمونيكي هنوز هم مهمترين مسأله كيفيت برق مي باشد. مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين معمولي طراحي سيستم هاي قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلي، مغاير است.

بنابراين در اين خصوص با پديده هاي ناآشنايي روبه رو مي شويم كه نياز به ابزارهاي پيچيده و تجهيزات پيشرفته براي حل مشكلات و تحليل آنها دارد. در اينجا بايد تمايزي بين مسأله هارمونيك ها و حالتهاي گذرا قائل شد. در واقع به جاي بسياري از اعوجاج‌ها كه گذرا هستند هارمونيك ها مورد مؤاخذه قرار مي گيرند.

اندازه گيري هر پديده ممكن است شكل موج اعوجاجي به فركانس هاي بسيار بالا را نشان دهد. گر چه اعوجاج ها گذرا نيز شامل مؤلفه هاي فركانس بالا مي باشد، اما حالت هاي گذرا و هارمونيك ها پديده هاي متمايزي بوده و به صورت متفاوتي بررسي و تحليل مي گردند.

حالتهاي گذرا، داراي فركانس هاي بالايي مي باشند و تنها لحظه اي پس از يك تغيير ناگهاني در سيستم قدرت به وجود مي آيند. اين فركانسها لزوماً فركانس هارمونيكي نيستند و به عنوان مثال مي توانند فركانس طبيعي سيستم در لحظه كليد زني باشند كه ارتباطي با فركانس مؤلفه  اصلي سيستم ندارد. طبق تعريف، هارمونيك ها در حالت ماندگار اتفاق مي افتند و مضرب صحيحي از فركانس مؤلفه اصلي مي باشند.

موجهاي اعوجاج يافته كه داراي هارمونيك هستند، به طور پيوسته وجود داشته و يا حداقل براي چندين ثانيه باقي مي مانند. گذرا ها معمولاً در طي چندين سيكل از بين مي روند. حالت گذرا در ارتباط با يك تغيير در سيستم مانند كليد زني خازن ها رخ مي‌دهد، در حالي كه هارمونيك‌ها همراه با عملكرد پيوسته بار به وجود مي آيند. حالتي كه اين

فهرست

چكيده…………………………………………………………………………………………………………. 1

مقدمه………………………………………………………………………………………………………….. 2

فصل اول: شناخت و بررسي مقدماتي هارمونيكها………………………………………………. 3

(1-1) كليات……………………………………………………………………………………………… 4

(1-2) اعوجاج هارمونيكي…………………………………………………………………………….. 8

(1-3) اعوجاج ولتاژ و جريان………………………………………………………………………… 10

(1-4) مقادير مؤثر و اعوجاج ها هارمونيكي كل……………………………………………….. 12

(1-5) هارمونيك هاي مرتبه سه…………………………………………………………………….. 14

فصل دوم : منابع توليد هارمونيكها…………………………………………………………………… 17

(2-1) مقدمه……………………………………………………………………………………………….. 18

(2-2) منابع تغذيه تك فاز…………………………………………………………………………….. 18

(2-3) مبدل هاي قدرت سه فاز……………………………………………………………………… 21

( 2-3-1 ) مبدل هاي AC/DC…………………………………………………………………….. 21

(2-4) محرك هاي DC………………………………………………………………………………… 23

(2-5) محركه هاي AC………………………………………………………………………………… 24

(2-6) تجهيزات قوس زننده………………………………………………………………………….. 26

(2-6-1) كوره هاي الكتريكي……………………………………………………………………….. 28

(2-7) جبران كننده هاي استاتيكي توان راكتيو………………………………………………….. 31

(2-8) ترانسفورمرهاي قدرت………………………………………………………………………… 33

(2-8-1) اشباع ناشي از افزايش ولتاژ……………………………………………………………… 34

(2-10) لامپهاي تخليه اي……………………………………………………………………………. 35

(2-11) ساير منابع……………………………………………………………………………………….. 36

فصل سوم: آثار هارمونيكها……………………………………………………………………………… 37

(3-1) مقدمه……………………………………………………………………………………………….. 38

(3-2 ) خازنها……………………………………………………………………………………………… 39

(3-2-1) اثرات مستقيم………………………………………………………………………………… 39

(3-2-2) اثرات غيرمستقيم……………………………………………………………………………. 40

(3-3) لامپ هاي روشنايي و المان‌هاي حرارتي……………………………………………….. 44

(3-4) موتورهاي آسنكرون…………………………………………………………………………… 45

(3-5) ماشنيهاي سنكرون……………………………………………………………………………… 48

(3-6) ترانسفورماتورها…………………………………………………………………………………. 49

(3-6-1) افزايش تلفات گردابي در هاديها……………………………………………………….. 49

(3-6-2) افزايش تلفات هيسترزيس……………………………………………………………….. 50

(3-6-3) افزايش تلفات گردابي در هسته………………………………………………………… 51

(3-6-4) كاهش توان نامي ترانسفورماتور……………………………………………………….. 52

(3-7) عملكرد رله ها……………………………………………………………………………………. 53

( 3-8) وسايل اندازه گيري الكتريكي………………………………………………………………. 56

(3-8-1) توان حقيقي…………………………………………………………………………………… 57

(3-8-2) توان راكتيو……………………………………………………………………………………. 58

(3-8-3) توان ظاهري………………………………………………………………………………….. 60

(3-9) كليدهاي فشار قوي…………………………………………………………………………….. 63

(3-10) عايق ها…………………………………………………………………………………………… 65

(3-11) فيوزها……………………………………………………………………………………………. 65

(3-12) سيستمهاي مخابراتي………………………………………………………………………… 65

(3-13) تاثيرات ديگر هارمونيكها…………………………………………………………………… 66

فصل چهارم: روشهاي حذف هارمونيكها………………………………………………………….. 67

(4-1) مقدمه……………………………………………………………………………………………….. 68

(4-2) روشهاي چند پالسه…………………………………………………………………………….. 69

(4-2-1) چگونگي حذف هارمونيكها…………………………………………………………….. 73

(4-2-2) ترانسفورمرهاي دو سيم پيچه…………………………………………………………… 76

(4-2-3) ترانسفورمرهاي تك سيم پيچه…………………………………………………………. 79

(4-3) فيلترهاي غير فعال……………………………………………………………………………… 79

(4-3-1) انواع فيلترهاي غير فعال………………………………………………………………….. 80

(4-3-2) پارامترهاي غير فعال………………………………………………………………………. 81

(4-3-3) طراحي فيلترهاي تك تنظيمه…………………………………………………………… 84

(4-3-4) طراحي فيلترهاي دو تنظيمه…………………………………………………………….. 86

(4-3-5) طراحي فيلترهاي بالا گذر……………………………………………………………….. 87

(4-3-6) طراحي بهينه فيلترهاي غير فعال………………………………………………………. 89

(4-3-7) ملاحظات لازم در طراحي و نصب فيلترهاي غير فعال………………………… 89

( 4-4) فيلترهاي غير فعال…………………………………………………………………………….. 94

( 4-4-1) فيلترهاي فعال موازي……………………………………………………………………. 96

( 4-4-2) فيلترهاي فعال هايبريد…………………………………………………………………… 98

( 4-5) ساير روشها………………………………………………………………………………………. 103

(4-5-1) روش ميكروپروسسوري تزريق جريان………………………………………………. 103

( 4-5-2) استفاده از ماشين سنكرون با مدار تحريك رزونانس…………………………… 106

منابع و مؤاخذ