درایوهای کنترل دور به طور گسترده در کاربردهای صنعتی برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی استفاده می شوند. درایوها چندین مزیت نسبت به روش های سنتی کنترل موتور دارند، از جمله بهره‌وری انرژی، بهبود کنترل فرآیند و کاهش سایش و پارگی تجهیزات و غیره. با این حال، هارمونیک در درایو می تواند برای سیستم قدرت و تجهیزات متصل به آن مشکل ایجاد کند. در این مقاله، علل فنی هارمونیک‌ها، مشکلاتی که می‌توانند ایجاد کنند و راه حل‌های موجود برای کاهش هارمونیک ها از درایوها را بررسی می‌کنیم.
طبق کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC)، سطح هارمونیک ها با اعوجاج هارمونیک کل (THD) توصیف می‌شود و به صورت درصدی از کل ولتاژ یا جریان بیان می شود. در استاندارد IEEE 519 از آن به عنوان اعوجاج تقاضای کل (TDD) یاد می شود.
علل فنی هارمونیک ها
هارمونیک در درایو جریان‌ها یا ولتاژهایی در فرکانس‌هایی هستند که مضربی از فرکانس اصلی سیستم قدرت (50 هرتز) هستند. هارمونیک‌ها توسط بارهای غیر خطی ایجاد می‌شوند که جریان را در یک الگوی غیر سینوسی می‌کشند.
درایوها منبع رایج بارهای غیر خطی در کاربردهای صنعتی هستند. عمل سوئیچینگ درایوها یک شکل موج مدوله شده با عرض پالس (PWM) ایجاد می‌کند که حاوی هارمونیک‌های فرکانس بالا است. هر چه فرکانس سوئیچینگ درایو بیشتر باشد، ترتیب هارمونیک‌های تولید شده بالاتر است.
جریان ها و ولتاژهای هارمونیک توسط بارهای غیر خطی متصل به سیستم توزیع برق ایجاد می شوند. تمامی مبدل های الکترونیک قدرت مورد استفاده در انواع مختلف سیستم های الکترونیکی می توانند با تزریق جریان های هارمونیک به طور مستقیم به شبکه تغذیه، اختلالات هارمونیک را افزایش دهند. بارهای غیر خطی متداول شامل استارت موتورها، درایوهای سرعت متغیر، کامپیوترها و سایر وسایل الکترونیکی مانند روشنایی الکترونیکی، منابع جوشکاری و منابع تغذیه بدون وقفه می باشد.
هارمونیک ها ممکن است باعث گرم شدن بیش از حد کابل ها شده و به عایق آن ها آسیب برساند. موتورها همچنین ممکن است بیش از حد گرم شوند یا نویز داشته باشند و نوسانات گشتاور در روتور می تواند منجر به تشدید مکانیکی و لرزش شود. خازن ها بیش از حد گرم می شوند، در شدیدترین موارد، خطر انفجار در اثر خراب شدن دی الکتریک وجود دارد. نمایشگرهای الکترونیکی و روشنایی ممکن است چشمک بزنند، قطع کننده‌های مدار ممکن است از کار بیفتند، رایانه‌ها از کار بیفتند و کنتورها خوانش‌های نادرست نشان دهند.
مشکلات ناشی از هارمونیک در درایو
هارمونیک ها می توانند مشکلات متعددی را برای سیستم قدرت و تجهیزات متصل به آن ایجاد کنند. برخی از رایج ترین مشکلات عبارتند از:
- گرمای بیش از حد: جریان های هارمونیک می تواند باعث گرم شدن بیش از حد در ترانسفورماتورها، موتورها و سایر تجهیزات شود که منجر به کاهش طول عمر و افزایش هزینه های نگهداری می شود.
- گرمای بیش از حد و خرابی زودرس اجزای درایو مانند خازن ها و ترانزیستورها
- اعوجاج ولتاژ: جریان‌های هارمونیک در درایو می‌توانند شکل موج ولتاژ را مخدوش کنند و منجر به اختلال در عملکرد تجهیزات حساس مانند رایانه‌ها و سیستم‌های کنترل شوند.
- رزونانس: هارمونیک‌ها می‌توانند باعث ایجاد تشدید در سیستم قدرت شوند که منجر به افزایش ولتاژ و خرابی تجهیزات شود.
- کاهش ضریب توان: هارمونیک‌ها می‌توانند ضریب توان سیستم را کاهش دهند که منجر به افزایش هزینه ها و جریمه های انرژی می‌شود.
- تداخل با سیستم های ارتباطی مانند Wi-Fi، تلفن همراه و دستگاه های فرکانس رادیویی
- خرابی تجهیزات الکترونیکی حساس مانند درایوهای سرعت قابل تنظیم، کنترل کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی و غیره.
- جریان خنثی بیش از حد که منجر به افت ولتاژ، گرم شدن بیش از حد ترانسفورماتور و خاموش شدن مزاحم کلیدهای مدار می‌شود.
- ضربان های گشتاور در موتورها باعث کاهش راندمان و سایش مکانیکی می‌شود.
چگونه می توان اثر هارمونیک در درایو را کاهش داد؟
هارمونیک‌ها را می‌توان با اصلاحات در شبکه تامین، سیستم درایو و با استفاده از فیلتر خارجی کاهش داد. هارمونیک‌های جریان به ساختار درایو و بار بستگی دارد.
عواملی که هارمونیک‌های جریان را افزایش می‌دهند عبارتند از:
– بدون چوک ورودی
– بار موتور بیشتر
عواملی که باعث کاهش هارمونیک‌های جریان می‌شوند عبارتند از:
– اندوکتانس DC یا AC بیشتر
– تعداد پالس‌های بیشتر در یکسو کننده
– یکسو کننده فعال
عواملی که باعث کاهش هارمونیک‌های ولتاژ ناشی از جریان‌های هارمونیک می‌شوند:
– ترانسفورماتور بزرگتر
– امپدانس ترانسفورماتور کمتر
– ظرفیت اتصال کوتاه بالاتر تامین
انتخاب راه حل مناسب
بهترین راه حل برای کاهش هارمونیک در درایو به نیازهای خاص کابرد بستگی دارد. فیلترهای هارمونیک غیرفعال معمولاً مقرون به صرفه ترین راه حل برای هارمونیک‌های مرتبه پایین هستند، در حالی که فیلترهای هارمونیک فعال برای هارمونیک‌های مرتبه بالاتر و کاربردهایی با بارهای متفاوت مناسب‌تر هستند. راکتورهای خطی و درایوهای چند پالس نیز می‌توانند در کاربردهای خاصی موثر باشند.
استفاده از یکسو کننده 6 پالس، 12 پالس، 18 پالس یا 24 پالس
رایج ترین مدار یکسو کننده در درایوهای PWM سه فاز، یکسو کننده دیود شش پالس است. این یکسو کننده ناهموار، مستحکم و ارزان است، اما جریان ورودی حاوی مقادیر بالایی از هارمونیک‌های درجه پایین است. یکسو کننده دوازده پالسی با اتصال دو یکسو کننده شش پالس به صورت موازی برای تغذیه یک باس DC تشکیل می‌شود. این یکسو کننده‌ها از طریق یک ترانسفورماتور مخصوص با دو ثانویه تغذیه می‌شوند. این یک شکل موج جریان صاف‌تر از یکسو کننده شش پالسی می‌دهد. یکسو کننده‌های 18 پالس و 24 پالس به طور مشابه با اتصال سه یا چهار یکسوکننده شش پالس تشکیل می‌شوند.
استفاده از یکسو کننده فعال IGBT
یکسوساز فعال IGBT (ترانزیستور دوقطبی گیت عایق) می تواند برای کنترل برق از شبکه تغذیه استفاده شود. این اجازه می‌دهد تا ضریب توان نزدیک به یکپارچگی حفظ شود زیرا یکسو کننده به طور فعال مدوله می‌شود تا توان‌های هارمونیک در درایو را کاهش دهد. مزایای اصلی عبارتند از:
– جریان تغذیه تقریباً سینوسی با محتوای هارمونیک کم
– ضریب توان واحد
– قابلیت افزایش ولتاژ. در صورت کاهش ولتاژ تغذیه، ولتاژ DC را می‌توان تقویت کرد تا ولتاژ موتور در سطح مورد نیاز حفظ شود.
– امکان تولید توان راکتیو اشکال اصلی هزینه بالاتر در مقایسه با یکسو کننده دیود است.
استفاده از چوک DC یا AC بزرگ
چوک های DC و AC راه حل‌هایی هستند که از موتور محافظت می‌کنند و نشتی جریان ناشی از کابل طولانی موتور را کاهش می‌دهند. یک درایو فرکانس متغیر با یک چوک DC یا AC بزرگ اعوجاج جریان هارمونیک را کاهش می‌دهد اما نتیجه واقعی بسته به نوع چوک مورد استفاده بسیار متفاوت است.
اشکال اصلی استفاده از چوک بزرگ اندازه و هزینه آن است. یک چوک AC همچنین دارای یک افت ولتاژ است که بر سیستم تأثیر می‌گذارد.
فیلتر فعال خارجی
فیلتر فعال هارمونیک‌های تولید شده توسط بارهای غیرخطی را با تولید همان اجزای هارمونیک در فاز مخالف جبران می‌کند. فیلترهای فعال خارجی بیشتر برای چندین درایو کوچک مناسب هستند.
ارزیابی هزینه
راه‌حل‌های زیادی برای کاهش اعوجاج هارمونیک وجود دارد. هنگام در نظر گرفتن بهترین مناسب برای یک برنامه، باید به یاد داشته باشید که هزینه کل سیستم نه تنها شامل قیمت درایو فرکانس متغیر است، بلکه هزینه های نصب، نگهداری و حمل و نقل را نیز شامل می‌شود. تاثیر فیزیکی نیز باید در نظر گرفته شود زیرا بسته به راه حل می‌تواند از یک تا سه برابر متفاوت باشد.
نتیجه
هارمونیک در درایو می‌توانند طیف وسیعی از مشکلات را برای سیستم قدرت و تجهیزات متصل به آن ایجاد کنند. خوشبختانه راه‌حل‌های مختلفی برای کاهش هارمونیک‌ها وجود دارد، از جمله فیلترهای هارمونیک غیرفعال و فعال، راکتورهای خطی و درایوهای چند پالس. انتخاب راه حل مناسب به نیازهای خاص برنامه بستگی دارد.
اگر هارمونیک در درایو فرکانس متغیر، عملیات صنعتی شما را مختل می‌کند، بیایید با هم کار کنیم تا این اختلالات منبع تغذیه را برطرف کنیم.
بدون دیدگاه