چگونه ظرفیت مورد نیاز فیلترهای هارمونیک فعال را محاسبه کنیم؟

درک فیلترهای هارمونیک فعال و چالش‌های کیفیت توان

فیلتر هارمونیک فعال چیست و چگونه کار می‌کند؟

فیلترهای هارمونیک فعال یا AHFها با تزریق جریان در زمان واقعی، جریان‌های هارمونیک مخرب موجود در سیستم‌های الکتریکی را خنثی می‌کنند. به طور خلاصه، این دستگاه‌ها با استفاده از حسگرهای مختلف، جریان عبوری از بارها را تحت نظارت دارند. هر زمان که نسبت به الگوی سینوسی سالم تغییری مشاهده شود، با تزریق جریان‌هایی با فاز مخالف، این ناهنجاری‌ها را اصلاح می‌کنند. بیشتر مدل‌های جدید قادرند هارمونیک‌ها را تا حدود 90-95 درصد کاهش دهند، البته بسته به شرایط عملکردی. به همین دلیل، واحدهای صنعتی که به طور گسترده از درایوهای فرکانس متغیر و تجهیزات مشابه استفاده می‌کنند، دیگر نمی‌توانند بدون این دستگاه‌ها مدیریت مناسب توان را تضمین کنند.

تأثیر هارمونیک‌ها بر سیستم‌ها و تجهیزات الکتریکی

حرارتهای هارمونیک باعث افزایش دمای تجهیزات تا 40٪ می‌شوند (Ponemon 2023)، که این امر باعث تسریع فرآیند کاهش عایق‌بندی در موتورها و ترانسفورماتورها می‌گردد. وجود هارمونیک‌های غیرقابل کنترل می‌تواند منجر به موارد زیر شود:

مقادیر THD (کل هارمونیک‌های ریزش یافته) بالای 8٪ استانداردهای IEEE 519-2022 را نقض کرده و باعث ریسک عدم انطباق با مقررات می‌شود.

فیلترهای هارمونیک فعال در مقابل فیلترهای هارمونیک غیرفعال: کدام یک را انتخاب کنید؟

در حالی که فیلترهای غیرفعال به طور خاص به فرکانس‌های مشخص و در نقاط امپدانس ثابت توجه می‌کنند، فیلترهای فعال به صورت پویا با تغییرات الگوهای هارمونیک تطبیق می‌یابند. نکات کلیدی برای در نظر گرفتن:

• فیلترهای فعال در محیط‌های چند هارمونیک (THD >15%) با جبران توان راکتیو عملکرد برجسته‌ای دارند
• فیلترهای غیرفعال برای پروژه‌های با بودجه محدود که هدف آن‌ها هارمونیک‌های شناخته شده 5ام/7ام است، مناسب هستند

تولیدکنندگان پیشرو فیلترهای فعال را برای واحدهایی که از انرژی‌های تجدیدپذیر یا درایوهای سرعت قابل تنظیم استفاده می‌کنند و در آن‌ها الگوهای هارمونیک به صورت غیرقابل پیش‌بینی تغییر می‌کنند، پیشنهادی می‌دهند. تحلیل صنعتی 2024 نشان می‌دهد که فیلترهای فعال در محیط‌های تولیدی، هزینه‌های نگهداری را 32% نسبت به گزینه‌های غیرفعال کاهش می‌دهند.

عوامل کلیدی موثر در محاسبه ظرفیت فیلترهای هارمونیک فعال

اندازه‌گیری جریان هارمونیک و THDI برای تعیین دقیق اندازه فیلترهای فعال

انتخاب اندازه مناسب برای یک فیلتر هارمونیک فعال، با اندازه‌گیری جریان هارمونیک (Ih) و بررسی میزان کل پرفوزیون هارمونیک جریان (THDI) آغاز می‌شود. وقتی می‌خواهیم بدانیم چه ظرفیتی از فیلتر لازم است، منطقی است که اندازه‌گیری‌های RMS جریان را در زمانی که بارها در بالاترین سطح خود هستند، در نظر بگیریم. این کار تصویری روشن از آنچه سیستم واقعاً باید تحمل کند، در اختیار ما قرار می‌دهد. بر اساس تحقیقات گروه کیفیت برق IEEE در سال 2023، اگر THDI بیش از 15% شود، فیلترها باید حدود 35% بزرگتر باشند تا سطح ولتاژ در سراسر سیستم به‌خوبی پایدار بماند.

تکنیک‌های اندازه‌گیری کل پرفوزیون هارمونیک (THD)

سه روش اثبات‌شده در ارزیابی THD برجسته هستند:

انتخاب روش مناسب، خطاهای اندازه‌گیری را تا 20% کاهش می‌دهد، به‌ویژه در تأسیساتی که بارهای خطی و غیرخطی با هم ترکیب شده‌اند.

نقش تحلیل طیف هارمونیک در تعیین نیازمندی‌های فیلتر

بررسی داده‌های طیف هارمونیک به شناسایی فرکانس‌های مشکل‌ساز مانند هارمونیک‌های مرتبه ۵، ۷ و به‌ویژه ۱۱ کمک می‌کند که نیاز به رفع مشکل دارند. بر اساس ارزیابی‌هایی که از واحدهای صنعتی در صنایع مختلف انجام داده‌ایم، حدود دو سوم از واحدهای تولیدی به‌صورت واقعی با مشکلات قابل‌توجهی از هارمونیک پنجم تنها روبرو هستند، به‌طوری که بیش از نیمی از کل مشکلات تحریف ولتاژ را تشکیل می‌دهد. با داشتن این اطلاعات، مهندسان می‌توانند تنظیمات فیلتر هارمونیک فعال را به‌صورت دقیق‌تری انجام دهند، به جای اینکه بدون نیاز به نصب تجهیزات بزرگ‌تر از حد مورد نیاز روی بیاورند. نتیجه چیست؟ مدیریت بهتر از نظر هزینه بدون قربانی کردن عملکرد سیستم، چیزی که هر مدیر بهره‌برداری‌ای از آن قدردانی می‌کند وقتی فصل بودجه‌بندی فرا می‌رسد.

استانداردهای صنعتی و حاشیه‌های ایمنی در ظرفیت فیلتر هارمونیک فعال

IEEE 519-2022 محدودیت THDI را برای ساختمان‌های تجاری در سطح پایین‌تر از 8٪ تعیین می‌کند، اما مشاوران انرژی توصیه می‌کنند 20 تا 30 درصد حاشیه ایمنی را به ظرفیت فیلتر محاسبه شده اضافه کنید. سیستم‌هایی که این حاشیه را در نظر می‌گیرند، 40٪ کمتر از دفعات خاموش شدن مربوط به هارمونیک گزارش می‌دهند (مطالعات Ponemon، 2023). همواره نتایج را با استاندارد IEC 61000-3-6 برای انطباق بین‌المللی مورد مقایسه قرار دهید.

روش گام به گام برای تعیین اندازه فیلترهای فعال هارمونیک

تحلیل سیستم و ارزیابی بار برای تعیین دقیق اندازه AHF

شروع کار با یک بررسی کامل از سیستم، زمانی که قرار است منابع هارمونیک مزاحم مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) و یکسوسازهای صنعتی مختلف شناسایی شوند، منطقی به نظر می‌رسد. دسترسی به داده‌های واقعی به این معنی است که دستگاه‌های ثبت کیفیت برق را در بخش‌های مختلف سایت نصب کنیم تا بتوانیم الگوهای عملکرد معمول و میزان نویز هارمونیکی تولید شده را مشاهده کنیم. زمانی که تمام این اطلاعات را با دسته‌بندی صحیح انواع تجهیزات و درک کلی از پیکربندی الکتریکی ترکیب کنیم، پایه‌ای محکم برای تعیین اندازه مناسب فیلتر فعال هارمونیک (AHF) فراهم می‌شود. اعداد و ارقام هم داستان خاصی را روایت می‌کنند - بر اساس تحقیقات اخیر انجام شده توسط آزمایشگاه سیستم‌های انرژی در سال 2023، بیشتر کارخانه‌ها متوجه شده‌اند که دو سوم مشکلات هارمونیکی آن‌ها ناشی از درایوهای موتور و سیستم‌های یکسوسازی است. این موضوع به خوبی اهمیت گرفتن زمان لازم برای شناسایی دقیق هر بار الکتریکی در سیستم را برجسته می‌کند؛ کاری که تنها یک روش خوب نیست، بلکه یک ضرورت کلیدی محسوب می‌شود.

استفاده از دستگاه‌های ثبت‌کننده کیفیت توان و تحلیل طیف برای محاسبه جریان هارمونیک

نصب دستگاه‌های تحلیل کیفیت توان برای مدت 7 تا 14 روز به منظور ثبت رفتار هارمونیک در شرایط کاری واقعی. تمرکز بر اندازه‌گیری:

• درصد کل جریان هارمونیک (THDI)
• ترتیب هارمونیک‌های فردی (5ام، 7ام، 11ام)
• جریان‌های هارمونیک حداکثر تقاضا

تحلیل پیشرفته طیف، زاویه فاز و اثرات لغوکنندگی را نشان می‌دهد که در اندازه‌گیری‌های RMS معمولی دیده نمی‌شود. به عنوان مثال، یک واحد نیمه‌هادی متوجه شد که 40 درصد افزایش جریان هارمونیک در زمان تغییر شیفت کاری رخ داده است—این بینش تنها با نظارت مداوم امکان‌پذیر است.

استفاده از فرمول محاسبه ظرفیت: IRMS، THDI و جریان بار

در محاسبه ظرفیت AHF، ما به جریان‌های هارمونیک واقعی نگاه می‌کنیم و همچنین مقداری فضای اضافی برای ایمنی را در نظر می‌گیریم: ظرفیت AHF به آمپر برابر است با جذر جمع مربعات تمام Ihها به اضافه حدود 30 درصد فضای اضافی برای اطمینان. Ih در اینجا به مقادیر RMS (ریشه میانگین مربع) برای فرکانس‌های هارمونیک مختلف اشاره می‌کند و آن حاشیه ایمنی به کنترل افزایش‌های غیرمنتظره بار یا ضربه‌های ناگهانی توان کمک می‌کند. یک مثال واقعی از یک کارخانه تولید پارچه آمده است که در آن استفاده صحیح از این محاسبه، نیاز به تجهیزات فیلتر کردن را به میزان تقریباً یک چهارم نسبت به آنچه که با قواعد تخمینی حدس زده بودند، کاهش داد. این موضوع باعث صرفه‌جویی تقریباً هجده هزار دلاری برای آنها شد و همچنین شاخص THD (کل هارمونیک) را در تمام فرآیندها کمتر از 5 درصد نگه داشت.

مطالعه موردی: تعیین اندازه فیلتر هارمونیک فعال برای یک کارخانه تولیدی

یک کارخانه مونتاژ خودرویی ۱۲ مگاواتی با ۸۷ عدد درایو فرکانس متغیر (VFD)، در تابلوی اصلی توزیع ۲۲٪ هارمونیک جریان کل (THDI) را تجربه می‌کرد که منجر به ۱۴٪ اعوجاج ولتاژ شد. اندازه‌گیری‌های میدانی نشان داد:

• جمع جریان هارمونیک ۳۱۲ آمپر
• هارمونیک هفتم غالب (۳۸٪ از کل هارمونیک‌ها)

یک فیلتر هارمونیک فعال ۴۰۰ آمپری (AHF) که با حاشیه ایمنی انتخاب شده بود، THDI را به ۳٫۸٪ کاهش داد که خیلی پایین‌تر از حد مجاز IEEE 519-2022 است. پس از نصب، تلفات انرژی به میزان ۹٫۲٪ کاهش یافت زیرا گرمای کمتری در ترانسفورماتورها و کابل‌ها تولید می‌شد.

مقایسه روش‌های نصب متمرکز و محلی فیلتر هارمونیک فعال در مرحله برنامه‌ریزی

مقایسه روش‌های نصب متمرکز و محلی فیلتر هارمونیک فعال

دستگاه‌های AHF که در تابلوهای توزیع اصلی نصب می‌شوند، هارمونیک‌ها را در سراسر سیستم‌های برقی کنترل می‌کنند. این راه‌حل‌های متمرکز در ساختمان‌هایی بهترین عملکرد را دارند که بیشتر مشکلات هارمونیکی از یک منبع خاص ناشی شوند؛ به‌عنوان‌مثال مراکز داده. یک فیلتر با کیفیت 250 کیلوولت‌آمپری در آنجا می‌تواند میزان THDI کل سیستم را تقریباً 85 درصد کاهش دهد که تفاوت قابل‌توجهی ایجاد می‌کند. با این حال، در مورد نصب‌های در محل، شرکت‌ها فیلترهای کوچک‌تری (معمولاً بین 50 تا 100 کیلوولت‌آمپر) را در کنار تجهیزات خاصی که مشکل ایجاد می‌کنند، مانند دستگاه‌های CNC یا منابع تغذیه اضطراری، قرار می‌دهند. اگرچه این روش کنترل بهتری روی مشکلات محلی فراهم می‌کند، اما هزینه‌ها به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. گزارش‌های انرژی صنعتی نشان می‌دهند که این پیکربندی‌های غیرمتمرکز اغلب حدود 22 درصد سرمایه اولیه بیشتری نسبت به روش‌های فیلتراسیون متمرکز نیاز دارند.

چالش‌های توزیع بار و تأثیر آن‌ها بر ظرفیت AHF

هنگامی که بارها به‌درستی در سراسر یک واحد تولیدی متعادل نباشند، ایجاد ناهماهنگی‌های هارمونیک آزاردهنده‌ای در فازهای مختلف می‌کنند که در تعیین اندازه مناسب فیلترهای AHF اهمیت زیادی دارد. به یک سناریوی معمولی در یک کارگاه پرس توجه کنید که در آن فاز C در زمان‌های شلوغی حدود ۴۰ درصد نوسانات THDI را تجربه می‌کند. طبق آخرین استانداردهای IEEE 519-2022، فیلترهای مورد استفاده باید قادر به تحمل حدود ۱۳۰ درصد از بیشترین جریان هارمونیک اندازه‌گیری‌شده باشند. محاسبات در مورد سیستم‌های متمرکز حتی پیچیده‌تر می‌شود، چرا که این سیستم‌ها معمولاً به ظرفیت اضافی بین ۱۸ تا ۲۵ درصد نیاز دارند تا بتوانند تمام این تغییرات را مدیریت کنند. فراموش نکنید که فیلترهای محلی هم باید بتوانند به‌فورت به تغییرات ناگهانی در فرکانس‌های بالای ۱۰ کیلوهرتز واکنش نشان دهند، چیزی که حتی مهندسان با تجربه را هم در صورت عدم دقت کافی غافلگیر می‌کند.

مخاطرهای بیش از اندازه و کمتر از اندازه کردن فیلترهای هارمونیک فعال

انتخاب ابعاد نادرست می‌تواند منجر به مشکلات جدی از نظر عملیاتی و مالی شود. وقتی سیستم‌ها از اندازه بزرگتری نسبت به نیاز برخوردار باشند، شرکت‌ها مجبورند حدوداً ۴۰٪ هزینه اولیه بیشتری را مطابق گزارش کیفیت توان موسسه IEEE در سال ۲۰۲۳ پرداخت کنند، همچنین به دلیل ظرفیت استفاده نشده اضافی، انرژی بیشتری هدر می‌رود و مشکلات واکنش الکتریکی ایجاد می‌شود. از سوی دیگر، اگر فیلترها به اندازه کافی بزرگ نباشند، نمی‌توانند جریان‌های هارمونیک ناخواسته را به خوبی کنترل کنند، که این امر باعث فرسایش بیش از حد و سریع‌تر عایق‌بندی می‌شود. داده‌ها این موضوع را نیز تأیید می‌کنند، بدین‌صورت که مرکز تحقیقات برق ایالات متحده (EPRI) در کتاب مطالعاتی ۲۰۲۲ خود یافت که ترانسفورماتورها پس از اینکه میزان کل هارمونیک (THD) از حد ۸٪ عبور کند، با سرعتی سه برابر بیشتر از حد طبیعی پیر می‌شوند. این نوع فرسایش تسریع‌شده در طول زمان برای بهره‌برداران تأسیسات هزینه‌های قابل توجهی را به همراه دارد.

یک کارخانه تولیدی یک AHF (فیلتر اکتیو هارمونیک) با ظرفیت ۱۵٪ کمتر از حد نیاز نصب کرد، که منجر به خرابی‌های مکرر بانک خازنی در عرض نه ماه شد. تحلیل‌های پس از وقوعه نشان داد که ولتاژهای هارمونیک حد مجاز IEEE 519-2022 را ۱۲٪ تجاوز کرده بودند، که مستقیماً منجر به ۷۴۰ هزار دلار هزینه متوقف‌شدن غیر برنامه‌ریزی‌شده شد.

مقایسه بین تخمین‌های کلی و تحلیل هارمونیک جامع: یک مقایسه انتقادی

روش‌های سریع تخمین بر اساس جریان بار یا رتبه‌بندی kVA ترانسفورماتور متغیرهای مهمی را در نظر نمی‌گیرند:

• توزیع بار غیرخطی
• اثرات لغو کنندگی هارمونیک طبیعی
• طرح‌های گسترش آینده

تحلیل جامع با استفاده از دستگاه‌های ثبت کیفیت برق در طول 7 روز معمولاً 18 تا 25 درصد هارمونیک بیشتری نسبت به اندازه‌گیری‌های تک‌نقطه‌ای کشف می‌کند (استاندارد NEMA AB-2021). امروزه نرم‌افزارهای پیشرفته داده‌های طیف واقعی را با الگوریتم‌های پیش‌بینی ترکیب می‌کنند و طبق ژورنال الکترونیک قدرت 2024 دقت 98.5 درصدی در تعیین اندازه را فراهم می‌کنند.

سوالات متداول (FAQ)

عملکرد اصلی فیلتر هارمونیک فعال (AHF) چیست؟

عملکرد اصلی AHF این است که هارمونیک‌های موجود در سیستم‌های الکتریکی را با تزریق جریان‌های اصلاحی در زمان واقعی از بین ببرد. این موضوع به حفظ الگوی موج سینوسی پاک کمک می‌کند و کیفیت پایدار برق را تضمین می‌کند.

هارمونیک‌ها چگونه بر تجهیزات الکتریکی تأثیر می‌گذارند؟

هارمونیک‌ها می‌توانند دمای تجهیزات را افزایش دهند و منجر به تخریب سریع‌تر عایق و خرابی تجهیزات شوند. همچنین می‌توانند باعث خرابی بانک خازنی، اختلال در عملکرد PLC و تحمیل هزینه‌های جریمه توسط شرکت برق به دلیل افزایش هزینه‌های انرژی شوند.

در انتخاب بین فیلترهای هارمونیک فعال و غیرفعال چه عواملی باید در نظر گرفته شوند؟

فیلترهای فعال در محیط‌هایی با سطح بالای اعوجاج هارمونیکی و در شرایطی که الگوهای هارمونیک به صورت پیش‌بینی‌نشده تغییر می‌کنند، بهترین گزینه هستند. فیلترهای غیرفعال برای پروژه‌هایی با محدودیت بودجه که هارمونیک‌های مشخصی را هدف قرار داده‌اند، مناسب هستند.

چرا اندازه‌گیری دقیق فیلترهای هارمونیک فعال امری ضروری است؟

اندازه‌گیری دقیق AHFها برای جلوگیری از هزینه‌های اضافی، تضمین بهره‌وری عملیاتی و جلوگیری از خرابی‌های زودرس تجهیزات به دلیل هارمونیک‌های به‌خوبی درمان‌نشده ضروری است.