عواملی که باید هنگام انتخاب فیلترهای کاهش هارمونیک در نظر گرفت چیست؟

درک تحریف هارمونیک در سیستم‌های قدرت

دلایل ایجاد هارمونیک‌ها چیست؟

هارمونیک‌های سیستم قدرت عمدتاً از آن دسته از بارهای غیرخطی ناشی می‌شوند که امروزه در همه جا شاهد آن‌ها هستیم، مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، تجهیزات کامپیوتری و برخی از وسایل روشنایی خاص. آنچه اتفاق می‌افتد این است که این وسایل شکل معمول موج جریان را بهم می‌زنند و جریان‌های هارمونیکی ناخواسته را در سراسر شبکه برق منتشر می‌کنند. عوامل مختلفی در بروز مشکلات هارمونیکی دخیل هستند. منظور ما نوع بار متصل، نحوه پیکربندی خود سیستم و حتی کیفیت اولیه تأمین شده از منبع تغذیه است. به عنوان مثال، در یک واحد صنعتی که پیکربندی الکتریکی به درستی انجام نشده باشد و تعداد زیادی از این دستگاه‌های غیرخطی به‌صورت هم‌زمان در حال کار باشند، ترکیبی از این دو معمولاً منجر به ایجاد مشکلات جدی در تشوه موج شده و کیفیت کلی برق در سراسر سیستم را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

تأثیرات بر تجهیزات و عملیات

هنگامی که اعوجاج هارمونیکی وارد سیستم می‌شود، خسارات زیادی به تجهیزات وارد می‌کند. ترانسفورماتورها و موتورها تمایل دارند بیش از حد گرم شوند که این امر عمر مفید آن‌ها را کاهش داده و منجر به هزینه‌های بیشتر برای تعمیرات می‌شود. برخی از ماشین‌آلات حساس به طور نامناسب کار می‌کنند یا کاملا خراب می‌شوند و این موضوع باعث کاهش نرخ تولید و کارایی کلی می‌گردد. اگر به اعداد و ارقام نگاهی بیندازیم، شرکت‌های فعال در بخش‌های مختلف متوجه افزایش ۲ تا ۵ درصدی در هزینه‌ها تنها به دلیل کیفیت ضعیف برق ناشی از هارمونیک‌ها شده‌اند. برای مقابله مؤثر با این مشکل، مدیران کارخانه باید به اساس مسئله پی ببرند؛ یعنی عوامل ایجاد کننده این اعوجاج‌ها و نحوه تأثیر آن‌ها روی عملیات روزانه و همچنین صورت‌های هزینه برق ماهانه را به خوبی درک کنند.

متقاضی بودن از استانداردهای تنظیمی

رعایت قوانینی مانند IEEE 519 تفاوت اساسی در مدیریت صحیح هارمونیک‌ها ایجاد می‌کند. این دستورالعمل‌ها در واقع حدودی را برای میزان گرفتگی (حرارت) مجاز در سیستم‌های برقی تعیین می‌کنند که به این ترتیب ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم‌ها حفظ می‌شود. بیشتر کشورها قوانینی دارند که از افزایش بیش از حد سطح هارمونیک‌ها جلوگیری می‌کنند و این امر موجب حفاظت تجهیزات گران‌قیمت در برابر خسارات و همچنین ادامه‌ی روان فعالیت‌های صنعتی می‌شود. شرکت‌ها فقط به خاطر اجتناب از جریمه نیست که این قوانین را دنبال می‌کنند؛ بلکه با رعایت استانداردها، عملکرد بهتری از سیستم‌های خود شاهد هستند. کارخانه‌ها گزارش کرده‌اند که صورت‌های برقی کمتر و بهره‌وری بهتری در کارخانه‌های تولیدی، مراکز داده و سایر محیط‌های صنعتی داشته‌اند. آشنایی با این الزامات دیگر اختیاری نیست، به خصوص اگر شرکت‌ها بخواهند در آینده هزینه‌های خود را کاهش دهند و همچنین با الزامات مربوط به کیفیت توان الکتریکی که توسط نهادهای نظارتی و مشتریان در حال تغییر است، سازگار شوند.

انواع فیلترهای کاهش هارمونیک

فیلترهای غیرفعال: عملکرد اساسی

فیلترهای غیرفعال با استفاده از قطعات پایه مانند خازن‌ها و سلف‌ها به جذب فرکانس‌های هارمونیک مزاحم کمک می‌کنند. این فیلترها معمولاً ارزان‌تر از فیلترهای فعال هستند و نصب آن‌ها ساده‌تر است که به همین دلیل در مکان‌های صنعتی که میزان بار تقریباً در طول روز ثابت است، محبوبیت دارند. مشکل اصلی چیست؟ این فیلترها زمانی بهترین عملکرد را دارند که شرایط تغییر زیادی نکنند. وقتی بارها شروع به نوسان کنند، فیلترهای غیرفعال دچار مشکل در پیگیری می‌شوند. بنابراین حتی اگر صرفه‌جویی در هزینه‌های اولیه خوب به نظر برسد، واحدهایی که با تقاضاهای متغیر برق در طول روز مواجه هستند، ممکن است در بلندمدت نیاز به راه‌حلی انعطاف‌پذیر‌تر داشته باشند.

فیلترهای فعال: قابلیت تنظیم دینامیک

فیلترهای فعال با تطبیق خود به صورت زنده بر اساس اتفاقات جاری در سیستم، کار می‌کنند. آن‌ها داده‌های لحظه‌ای را تحلیل کرده و جریان‌های خاصی ارسال می‌کنند که همان تحریف‌های ناخواسته را خنثی می‌کنند. چیزی که این فیلترها را بسیار خوب می‌کند، توانایی آن‌ها در مقابله با شرایط مختلف در زمان واقعی است، به این معنی که تقریباً در هر جایی از کارخانه‌ها گرفته تا ساختمان‌های اداری قابل استفاده هستند. البته شروع کار با فیلترهای فعال از سایر گزینه‌ها گران‌تر است. اما به این فکر کنید: کیفیت بهتر برق به معنی کاهش فشار روی تجهیزات در طول زمان است و این یعنی صرفه‌جویی واقعی در هزینه‌ها در نهایت. اینکه اطلاعات را به صورت لحظه‌ای پردازش می‌کنند، به آن‌ها این مزیت می‌دهد تا در مکان‌هایی که بارهای الکتریکی در طول روز تغییر می‌کنند، عملکرد بهتری داشته باشند. هرقدر هم که شرایط نامنظم شود، این فیلترها همچنان توان پاکیزه‌تری را فراهم می‌کنند.

راهکارهای ترکیبی: بهره‌وری ترکیبی

فیلترهای هیبریدی، بهترین قابلیت‌های سیستم‌های مداربسته و فعال را با هم ترکیب می‌کنند و سیستمی را ایجاد می‌کنند که هم کمتر هزینه دارد و هم عملکرد بهتری نسبت به هر کدام از سیستم‌ها به تنهایی دارد. وقتی شرکت‌ها این فناوری‌های متفاوت را با هم ترکیب می‌کنند، سیستمی به دست می‌آید که مشکلات هارمونیکی را در تمام انواع شرایط به خوبی مدیریت می‌کند. بارهای ثابت؟ بارهای متغیر؟ هیچ مشکلی نیست. نحوه کار این سیستم‌ها در واقع کیفیت کلی برق را بهبود می‌بخشد، فشار کمتری روی تجهیزات ایجاد می‌کند و همچنین در هزینه‌های انرژی پول هم صرفه‌جویی می‌شود. چیزی که فیلترهای هیبریدی را ارزشمند می‌کند، توانایی آن‌ها در مقابله با هارمونیک‌های پس‌زمینه ثابت است، در حالی که انعطاف لازم برای تطبیق با تغییرات غیرمنتظره در بارها را نیز دارند. به همین دلیل، بسیاری از کارخانه‌های تولیدی و واحدهای صنعتی این فیلترها را در محیط‌های با بار ترکیبی بی‌بدیل می‌دانند.

عوامل کلیدی انتخاب فیلترهای هارمونیک

ارزیابی سطح تشوه هارمونیکی

ارزیابی سطح اعوجاج هارمونیکی باید قبل از انتخاب هرگونه فیلتر هارمونیک برای نصب انجام شود. دستگاه‌های تحلیل توان همراه با بسته‌های نرم‌افزاری مختلف می‌توانند اطلاعات دقیقی در مورد محل دقیق مشکلات درون سیستم‌های الکتریکی فراهم کنند. این ابزارها نشان می‌دهند که چه درصدی از اعوجاج در نقاط مختلف شبکه وجود دارد و این امر شناسایی نقاط حیاتی را آسان‌تر می‌کند. شرکت‌ها باید چک‌های منظمی را نسبت به استانداردهای تعیین‌شده مانند آن‌هایی که در استانداردهای IEEE 519 آمده است، انجام دهند. این کار نه تنها باعث رعایت استانداردها می‌شود، بلکه زمانی را که ممکن است نیاز به تجهیزات جدید در آینده احساس شود، مشخص می‌کند. تضمین انجام صحیح این امر از ابتدا باعث می‌شود که هرگونه راه‌حلی که اجرا می‌شود، در واقع مشکلات واقعی را هدف قرار دهد و نه اینکه فقط علائم آن را درمان کند و در نهایت منجر به عملکرد بهتری در کل تاسیسات شود.

سازگاری سیستم و مشخصات بار

اینکه فیلترهای هارمونیک به درستی کار کنند، با این مطلب شروع می‌شود که بدانیم چقدر با سیستم سازگار هستند و چه نوع بارهایی از طریق آنها عبور می‌کند. وقتی به انواع مختلف بار نگاه می‌کنیم، نحوه رفتار دینامیکی آنها و نوسانات احتمالی در تقاضای توان مشخص می‌شود چرا انتخاب فیلتر مناسب برای سیستم‌های موجود اهمیت زیادی دارد. هدف کلی این ارزیابی این است که مشکلات غیرمنتظره در آینده را متوقف کرده و اطمینان حاصل شود که تمام اجزا به خوبی با یکدیگر همکاری می‌کنند. مهمتر از همه، تطبیق فیلترها با شرایط واقعی بار، به معنای عملکرد بهتر کلی، کاهش خرابی‌ها در زمان‌های شلوغ و حفظ ثبات سیستم‌های کلیدی حتی در زمان‌های اوج می‌باشد.

قدرت بهبود ضریب قدرت

هنگامی که شرکت‌ها فیلترهای هارمونیکی را انتخاب می‌کنند که در عین حال ضریب قدرت را افزایش می‌دهند، اغلب شاهد نتایج خوبی در عملیات روزانه خود هستند. بهترین فیلترهای موجود در بازار، مشکلات هارمونیک و مسائل ضریب قدرت را به صورت همزمان حل می‌کنند، به این ترتیب کسب‌وکارها دو مزیت را با یک راه‌حل به دست می‌آورند. انرژی به شکلی کارآمدتر مصرف می‌شود و پول بیشتری در کیف باقی می‌ماند. برخی از تحقیقات به کاهشی حدود 10 درصدی در هزینه‌های برق اشاره می‌کنند، هرچند صرفه‌جویی واقعی به سن تجهیزات و نوع چرخه‌های بار موجود بستگی دارد. برای مدیران تاسیساتی که به سود و زیان خود توجه می‌کنند، این راه‌حل‌های ترکیبی باعث تسهیل در رعایت الزامات قانونی همراه با کاهش هزینه‌های بلندمدت می‌شوند.

تحلیل هزینه مالکیت کل

در بررسی فیلترهای هارمونیک، انجام یک تحلیل کامل هزینه کل مالکیت (TCO) واقعاً اهمیت دارد. TCO شامل هزینه اولیه خرید، هزینه راه‌اندازی روزانه، هزینه‌های نگهداری و مدت زمانی است که فیلترها قبل از نیاز به تعویض، دوام می‌آورند. البته، برخی از فیلترها ممکن است در نگاه اول هزینه زیادی داشته باشند، اما شرکت‌ها اغلب متوجه می‌شوند که در طولانی مدت پول صرفه‌جویی می‌کنند، چون هزینه‌های انرژی کاهش می‌یابند و دستگاه‌ها دوام بیشتری دارند. روش خوبی برای اینکه شرکت‌ها بتوانند درک کنند که آیا این فیلترها از نظر مالی مقرون به صرفه هستند، استفاده از پیش‌بینی‌های مالی واقع‌بینانه است. این امر به مدیریت کمک می‌کند تا بفهمند آیا نصب فیلترهای جدید در بلندمدت بازگشت سرمایه دارد و در تصمیم‌گیری بهتر برای بودجه‌بندی ارتقای کارخانه یاری می‌کند.

قابلیت اطمینان و نیازهای نگهداری

قابلیت اطمینان فیلترهای هارمونیک به شدت به چیزهایی مانند طراحی خوب، نوع محیطی که در آن نصب شده‌اند و فناوری واقعی که درون آنها استفاده شده است، بستگی دارد. دانستن اینکه این سیستم‌ها به چه نوع نگهداری نیاز دارند، تفاوت بزرگی در ادامه دادن عملیات به‌صورت روان ایجاد می‌کند. وقتی شرکت‌ها از همراه فناوری فیلترهای قوی سرمایه‌گذاری می‌کنند، در نهایت شاهد خاموش‌کردن‌های غیرمنتظره کمتر و همچنین دوام بیشتر سیستم‌ها در کل خواهند بود. همچنین کیفیت توان به‌صورت مداوم حفظ می‌شود، چون وقفه‌های مکرر دیگر موجب اختلال نمی‌شوند. بررسی قابلیت اطمینان تنها محدود به جلوگیری از مشکلات نیست. فیلترهایی که دوام بیشتری دارند در واقع به حفظ عملکرد بهتر در کل سیستم الکتریکی در طول زمان کمک می‌کنند که این امر برای تأسیساتی که به تأمین برق پایدار روزانه متکی هستند، بسیار مهم است.

یکپارچه‌سازی با تصحیح ضریب قدرت

همافرینی بین فیلترهای هارمونیک و تجهیزات PFC

هنگامی که فیلترهای هارمونیک با تجهیزات جبران کننده ضریب توان (PFC) ترکیب می‌شوند، چیزی واقعاً خاص ایجاد می‌کنند که تأثیر زیادی در کیفیت برق می‌گذارد. این ترکیب به صرفه‌جویی در هزینه‌های انرژی کمک می‌کند، در حالی که عملکرد سیستم‌ها را تحت شرایط مختلف بار بهبود می‌بخشد. برخی مطالعات نشان داده‌اند که با به کارگیری همزمان این دو فناوری در کارخانه‌ها، حدود 20 درصد افزایش در بهره‌وری حاصل می‌شود. این سیستم به طور همزمان با دو مشکل دست و دست دارد: اعوجاج هارمونیک‌ها را کاهش می‌دهد و در عین حال بهره‌برداری بیشتری از هر کیلووات ساعت مصرفی فراهم می‌کند. برای شرکت‌هایی که به دنبال کاهش هزینه‌ها بدون قربانی کردن قابلیت اطمینان هستند، این رویکرد دوگانه به معنای استحکام و ثبات بیشتر در سیستم‌های الکتریکی حتی در دوره‌های تقاضای اوج یا نوسانات غیرمنتظره در مصرف انرژی است.

تحلیل هزینه-منفعت راهکارهای ترکیبی

قبل از اینکه شرکت‌ها بپرند و فیلترهای هارمونیک را در کنار تجهیزات PFC نصب کنند، باید به دقت هزینه‌های فعلی خود را در مقایسه با میزان پس‌اندازی که این کار به همراه خواهد داشت، بررسی کنند. هدف اصلی این است که مشخص شود آیا ترکیب این دو فناوری از نظر مالی در طولانی‌مدت منطقی است یا خیر. بیشتر تولیدکنندگان دریافته‌اند که وقتی این دو سیستم را با هم ادغام کنند و به جای اجرای جداگانه آن‌ها، به صورت هماهنگ عمل کنند، بازگشت سرمایه (ROI) آن‌ها به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. به عنوان مثال، یک کارخانه پس از ادغام رویکردهای خود، بهبودی حدوداً ۳۰ درصدی در ROI مشاهده کرد. بررسی اعداد واقعی به توجیه هزینه‌های اولیه کمک می‌کند، چرا که دقیقاً نشان می‌دهد چه میزان پول در آینده از طریق عملکرد بهتر سیستم و کاهش قبض برق پس‌انداز خواهد شد. کسب‌وکارهای هوشمند می‌دانند که این موضوع تنها مربوط به کم‌کاری در حال حاضر نیست، بلکه برنامه‌ریزی برای سودآوری در آینده است.

بهینه‌سازی کیفیت کلی برق

هنگامی که فیلترهای هارمونیک با تجهیزات PFC (تصحیح ضریب توان) ترکیب می‌شوند، هدف اصلی بهبود کیفیت توان در سراسر سیستم است، به طوری که عملکرد سیستم‌ها روز به روز قابل اطمینان‌تر شود. واحدهایی که به خوبی کیفیت توان خود را مدیریت می‌کنند، معمولاً در هزینه‌های نگهداری و تعویض قطعات صرفه‌جویی می‌کنند، زیرا تجهیزات آن‌ها عمر بیشتری دارند. این ترکیب دو مشکل را به طور همزمان حل می‌کند: کاهش هارمونیک‌های مزاحم و بهبود ضریب توان. چنین پیکربندی ای اطمینان خاطر به مدیران کارخانه می‌دهد که سیستم‌های الکتریکی آن‌ها نه تنها مطابق با الزامات مقرراتی هستند، بلکه در زمان اجرای تولید نیز دچار خرابی ناگهانی نخواهند شد. مدیریت بهتر توان به معنای کاهش خاموشی‌های برنامه‌ریزی نشده و کاهش فرسایش ماشین‌آلات گران‌قیمت در طول زمان است.