چگونه ظرفیت مورد نیاز فیلترهای هارمونیک فعال را محاسبه کنیم؟

درک اصول اندازه‌گیری فیلترهای هارمونیک فعال

نقش فیلترهای هارمونیک فعال در بهبود کیفیت توان

فیلترهای هارمونیک فعال، یا به اختصار AHFها، در مقابله با اعوجاج‌های هارمونیکی که از دستگاه‌هایی مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFDها) و یکسوسازها ناشی می‌شوند، کمک می‌کنند. این دستگاه‌ها با بررسی مداوم سیگنال‌های الکتریکی دریافتی، مشکلات را شناسایی کرده و جریان‌های خاصی را ارسال می‌کنند تا اعوجاج‌ها را خنثی کنند. این کار را می‌توان به نوعی شبیه به سیستم‌های لغو کننده نویز در صوت تصور کرد، اما برای برق. نتیجه چیزی است که موج‌ها تمیز‌تر و شبیه به سینوسویدهای هموارتری می‌شوند، نه خطوط شکسته. این امر در عمل تفاوت زیادی ایجاد می‌کند، چرا که ترانسفورماتورها خنک‌تر باقی می‌مانند و نوسانات ولتاژ کاهش می‌یابند. کارخانه‌هایی که این فیلترها را نصب می‌کنند، اغلب بهبود قابل توجهی در کیفیت توان خود را در عرض چند هفته مشاهده می‌کنند.

چرا محاسبه دقیق اندازه AHF برای ثبات سیستم امری حیاتی است

وقتی فیلترهای هارمونیک فعال (AHF) خیلی کوچک باشند، نمی‌توانند به‌خوبی با هارمونیک‌ها کنار بیایند و این امر کل سیستم را در معرض خطر آسیب به تجهیزات قرار می‌دهد. از سوی دیگر، انتخاب واحدهای خیلی بزرگ‌تر از حد نیاز فقط باعث هدر رفتن پول در هنگام خرید و همچنین در طول بهره‌برداری می‌شود، چون مزیتی واقعی حاصل نمی‌شود. بر اساس تحقیقی که مؤسسهٔ Ponemon در سال ۲۰۲۳ انجام داد، کنترل ناکافی هارمونیک‌ها عامل اصلی حدود شش دهم (۶۰ درصد) از خرابی‌های غیرمنتظرهٔ تجهیزات در کارخانه‌های تولیدی بوده است. این حوادث به‌تنهایی سالانه هزینه‌هایی بیش از ۷۴۰ هزار دلار به شرکت‌ها به‌خاطر از دست دادن زمان تولید تحمیل کرده‌اند. انتخاب اندازهٔ مناسب فیلتر هارمونیک فعال اهمیت دارد، چون به سیستم اجازه می‌دهد تا در چارچوب واقعی توانایی‌های دستگاه به‌خوبی کار کند و نقطهٔ بهینه‌ای را پیدا کند که در آن کارایی و قابلیت اطمینان در بلندمدت حفظ می‌شود.

پارامترهای کلیدی در تعیین اندازه فیلتر هارمونیک فعال

سه عامل اصلی ظرفیت فیلتر هارمونیک فعال را تعیین می‌کنند:

1. بزرگی جریان هارمونیک : اندازه‌گیری مقادیر پیک و RMS هارمونیک‌های غالب (مثلاً ۵ام، ۷ام، ۱۱ام)
2. تنوع بار : در نظر گرفتن عملکرد همزمان بارهای غیرخطی مانند دستگاه‌های جوشکاری و سیستم‌های ups.
3. قابلیت گسترش سیستم : پیش‌بینی حاشیه ظرفیت 15 تا 20 درصدی برای رشد آینده بار.

برای مثال، یک واحد با جریان هارمونیکی 300 آمپری معمولاً نیازمند یک فیلتر هارمونیکی فعال (AHF) با ظرفیت 360 آمپر است تا بتواند به‌طور ایمن نوسانات گذرا و عدم قطعیت‌های اندازه‌گیری را تحمل کند.

شناسایی اعوجاج هارمونیکی و اندازه‌گیری شرایط بار

چه عواملی باعث افزایش درصد اعوجاج هارمونیکی کل (THDi) می‌شوند؟

هنگامی که تجهیزاتی مانند درایوهای فرکانس متغیر و یکسوسازها به سیستم‌های برقی متصل می‌شوند، الگوی موج سینوسی نرمال برق را به هم می‌ریزند و فرکانس‌های اضافیی به نام هارمونیک‌ها ایجاد می‌کنند که در سراسر شبکه برق منتشر می‌شوند. نتیجه این امر افزایش THDi یا همان کل پرفورماسیون هارمونیک است که در واقع میزان این فرکانس‌های ناخواسته را نسبت به فرکانس اصلی درون سیستم اندازه‌گیری می‌کند. طبق استانداردهای صنعتی IEEE 519-2022، ساختمان‌هایی که بیش از 80٪ بار خود را از این دستگاه‌های غیرخطی تأمین می‌کنند، معمولاً دارای مقادیر THDi بالای 25٪ هستند. این تنها عددی روی کاغذ نیست. سطوح بالای اعوجاج می‌توانند باعث شوند ترانسفورماتورها بیش از حد طراحی شده کار کنند و مشکلات رزونانس خطرناکی در خازن‌ها ایجاد شود که ممکن است منجر به خرابی تجهیزات در آینده شود.

منابع رایج دامنه جریان هارمونیک در تأسیسات صنعتی

تجهیزات صنعتی سه‌فاز اصلی‌ترین عامل تولید هارمونیک‌ها هستند:

• سیستم‌های جوشکاری : تولید هارمونیک‌های قوی پنجم و هفتم در زمان اشتعال قوس
• کمپرسورهای HVAC : تولید هارمونیک‌های سوم و نهم در طی انتقال سرعت موتور
• ماشین‌آلات کنترل شده با PLC : ایجاد نویز هارمونیک گسترده تا مرتبه هفتادم

هنگامی که این بارها به طور همزمان کار می‌کنند، طیف‌های هارمونیک همپوشانی ایجاد کرده و پیچیدگی کلی جریان را افزایش می‌دهند.

اندازه‌گیری THDi و طیف هارمونیک در شرایط بار اوج

برای تعیین ظرفیت دقیق AHF نیاز به اندازه‌گیری‌های همگام و سه‌فاز با استفاده از آنالایزر توان کلاس A است. پارامترهای کلیدی عبارتند از:

پارامتر	روتین اندازه‌گیری	آستانه‌های بحرانی
THDi (%)	پایش مداوم ۲۴ ساعته	>۸٪ نیازمند کاهش
ردیف‌های هارمونیک	تجزیه و تحلیل طیف تا ۵۰ ردیف	هارمونیک‌های فردی > ۳٪ RMS
چرخه‌های بار	همبستگی با برنامه‌های تولید	اختلاف بین حداکثر و میانگین ≥ ۱۵٪

ارزیابی شرایط بار اوج می‌تواند اطمینان دهد که AHF می‌تواند نوسانات گذرا هارمونیک را که در فرآیندهایی مانند قالچک‌کاری فلز یا ریخته‌گری تزریقی رخ می‌دهد، مدیریت کند.

روش اصلی محاسبه ظرفیت فیلتر هارمونیک فعال

فرآیند گام به گام تعیین ظرفیت فیلتر

تعیین اندازه AHF با اندازه‌گیری جریان‌های هارمونیک در بار اوج با استفاده از آنالایزر‌های توان، و سپس شناسایی رده‌های هارمونیک غالب (معمولاً 5ام، 7ام، 11ام) آغاز می‌شود. IEEE 519-2022 محدودیت‌های THDi خاص صنعت را فراهم کرده و اهداف کاهش را تعیین می‌کند. فرمول اساسی برای تخمین جریان هارمونیک عبارت است از:

[ I_h = THDi \times K \times I_{rms} ]
که در آن ( I_h ) = جریان هارمونیک کل، ( K ) = ضریب تغییرپذیری بار (1.15–1.3)، و ( I_{rms} ) = جریان RMS اصلی است.

استفاده از محاسبه جریان هارمونیک برای تعیین صحیح اندازه AHF

ظرفیت AHF به طور مستقیم تحت تأثیر بزرگی هارمونیک و دینامیک‌های سیستم قرار دارد. عوامل کلیدی عبارتند از:

پارامتر	تأثیر روی تعیین اندازه
سطح THDi	THDi بالاتر به تناسب نیازمندی به ظرفیت بزرگ‌تر AHF
تنوع بار	برای بارهای گذرا یا متغیر، 15 تا 30 درصد ظرفیت ذخیره مورد نیاز است
طیف هارمونیکی	هارمونیک‌های مرتبه بالا (مرتبه 11 به بالا) به دلیل دامنه کمتر، جبران کمتری نیاز دارند

جهت در نظر گرفتن هارمونیک‌های اندازه‌گیری نشده و خطاهای اندازه‌گیری، یک فیلتر اکتیو هارمونیک (AHF) با ظرفیتی حداقل 20 درصد بیشتر از مقدار محاسبه شده (I_h) انتخاب کنید

در نظر گرفتن رشد آینده بار در محاسبه ظرفیت

بارهای صنعتی معمولاً 5 تا 7 درصد در سال رشد می‌کنند (EPRI 2023). برای جلوگیری از ارتقاء زودهنگام:

• پیش‌بینی گسترش بار در افق 5 ساله
• یک حاشیه ظرفیت 25 تا 40 درصدی برای تجهیزات غیرخطی جدید در نظر بگیرید
• طراحی ماژولار برای فیلتر اکتیو هارمونیک (AHF) که امکان انبساط موازی را فراهم کند، انتخاب کنید

مقایسه بزرگ‌تر کردن و کوچک‌تر کردن فیلترهای هارمونیک فعال: ریسک‌ها و موانع

افزایش اندازه فیلتر باعث افزایش 50 درصدی هزینه‌های اولیه و کاهش کارایی در بارهای کم می‌شود. کاهش اندازه به معنی عدم رعایت استاندارد IEEE 519، تنش مداوم در تجهیزات و ممکن است جریمه مالی باشد. یک مطالعه موردی در سال 2023 نشان داد که یک حاشیه ایمنی 20 درصدی به بهترین وجه هزینه، انطباق با استانداردها و تطبیق‌پذیری با نوسانات بار ±15 درصدی را با هم ترکیب می‌کند.

انجام تحلیل سیستم و پروفایل‌بندی بار برای تعیین دقیق اندازه

تعیین اندازه مناسب فیلترهای هارمونیک فعال به تحلیل جامع سیستم و پروفایل‌بندی دقیق بار وابسته است تا دینامیک‌های واقعی عملیاتی را منعکس کند. این روش‌ها از سرمایه‌گذاری اضافی جلوگیری می‌کنند و در عین حال کنترل مطمئن هارمونیک‌ها را در ساعات اوج تقاضا تضمین می‌کنند.

انجام یک مطالعه جامع کیفیت توان

انجام یک بررسی کیفیت برق مناسب واقعاً در تعیین صحیح اندازه دستگاه‌های AHF اهمیت دارد. بیشتر مهندسان برای این کار از دستگاه‌های تجزیه‌کننده کلاس A استفاده می‌کنند، زیرا نیاز دارند چیزهایی مانند کل دستورالعمل‌های هارمونیک، تغییرات ولتاژ در طول زمان و نوع هارمونیک‌های موجود در سیستم را بررسی کنند. هنگام انجام این بررسی‌ها، تکنسین‌ها معمولاً ابتدا روی تجهیزاتی تمرکز می‌کنند که مشکلات بزرگی ایجاد می‌کنند، به ویژه درایوهای فرکانس متغیر و منابع تغذیه بدون وقفه. این تجهیزات حدود ۶۰ تا ۸۰ درصد از جریان‌های هارمونیک ناخواسته‌ای که در کارخانه‌ها مشاهده می‌کنیم را طبق استانداردهای IEEE از سال ۲۰۲۲ به خود اختصاص می‌دهند. بخش دیگری از این بررسی، نگاه کردن به این مسئله است که آیا ممکن است تعاملات ناخواسته‌ای بین خازن‌های اصلاح ضریب توان نصب شده در حال حاضر و فرکانس‌های هارمونیک مختلف درون سیستم برق وجود داشته باشد.

روش‌های پروفایل‌بندی بار برای ثبت زیرساخت‌های هارمونیک متغیر

پایش مداوم در طول ۷ تا ۳۰ روز کل دامنه تغییرات عملیاتی را ثبت می‌کند. دستگاه‌های ثبت‌کننده قابل حمل جریان‌های هارمونیک مخصوص به هر فاز را ضبط می‌کنند، در حالی که مدل‌های پیشرفته پیش‌بینی چرخه کاری ماشین‌آلات را با تولید هارمونیک مرتبط می‌سازند. این رویکرد منابع متناوب—مانند سلول‌های جوشکاری رباتیک—که اندازه‌گیری‌های نقطه‌ای اغلب نادیده می‌گیرند را مشخص می‌کند.

ارزیابی بار مبتنی بر زمان برای محیط‌های صنعتی پویا

رویدادهای هارمونیک اوج اغلب با راه‌اندازی هم‌زمان ماشین‌های CNC یا کمپرسورها هم‌خوانی دارند. ارزیابی‌های مبتنی بر وزن زمانی شامل ارزیابی موارد زیر می‌شود:

• تپش‌های هارمونیک کوتاه‌مدت (فاصله‌های ۱۵ دقیقه‌ای)
• ت distortion پس‌زمینه حالت ماندگار
• بدترین سناریوها در حین خطا یا حالات انتقالی

این روش تضمین می‌کند که فیلترهای هارمونیک فعال (AHF) استاندارد IEEE 519 (<٪۵ THD ولتاژ) را حتی در طول ضربه‌های گذرا نیز رعایت کنند.

کاربرد واقعی: تعیین اندازه یک فیلتر هارمونیک فعال برای یک کارخانه تولیدی

زمینه: سطوح بالای THDi در یک واحد پردازش فلزات

یک کارخانه متوسط فلزات در حال تجربه خرابی های مکرر موتور و جریمه های برق به دلیل وجود هارمونیک های شدید بود. بازرسی های کیفیت برق نشان داد که سطح THDi در زمان های اوج مصرف به 28٪ می رسد که این مقدار بسیار بالاتر از حد مجاز IEEE 519-2022 یعنی 8٪ است. VFDها و کوره های قوسی به عنوان منابع اصلی هارمونیک در سه خط تولید شناسایی شدند.

تحلیل هارمونیک، جریان های مرتبه 5 و 7 غالب را نشان می دهد

تحلیل دقیق طیف هارمونیک، پروفایل هارمونیکی را به صورت کمّی مشخص کرد:

مرتبه هارمونیک	سهم در THDi	بزرگی جریان
پنجم	65%	412A
هفتم	۲۳٪	149A
11	7%	45A

بر اساس این داده ها، یک فیلتر هارمونیک فعال 600A اولیه به عنوان کافی برای کاهش 95٪ اعوجاج هارمونیکی با حاشیه ایمنی 15٪ در نظر گرفته شد.

استفاده از داده‌های پروفایل بار برای تعیین ظرفیت نهایی فیلتر

پروفایل بار سی‌روزه نشان داد که در زمان تغییر شیفت و استارت تجهیزات، نویزهای هارمونیکی قابل توجهی وجود دارد. با در نظر گرفتن رشد پیش‌بینی‌شده 20 درصدی بار طی پنج سال آینده، مهندسان یک سیستم AHF ماژولار 750 آمپری با قابلیت عملکرد موازی برای گسترش آینده مشخص کردند.

نتایج پس از نصب: THDi از 28% به 4% کاهش یافت

پس از اجرای سیستم، THDi به زیر 4% ثابت شد و این امر باعث دستیابی به انطباق کامل با استاندارد IEEE 519 شد. کارخانه 74 هزار دلار جریمه سالانه ناشی از مسائل برقی را حذف کرد و خرابی‌های موتور ناشی از گرمای اضافی هارمونیکی در شش ماه اول 62 درصد کاهش یافت، که اثربخشی رویکرد مبتنی بر داده برای تعیین اندازه را تأیید می‌کند.

بخش سوالات متداول

فیلترهای هارمونیکی فعال (AHF) چیست؟

فیلترهای هارمونیکی فعال دستگاه‌هایی هستند که برای کاهش اعوجاج‌های هارمونیکی در سیستم‌های برقی طراحی شده‌اند که این اعوجاج‌ها توسط بارهای غیرخطی مانند درایوهای فرکانس متغیر و یکسوسازها ایجاد می‌شوند. این فیلترها موج‌های پاک‌تری تولید می‌کنند که به موج سینوسی صاف شبیه هستند.

چرا تعیین دقیق اندازه AHF اهمیت دارد؟

اندازه‌گیری دقیق AHF امری ضروری است، زیرا استفاده از اندازه کوچک‌تر از حد مورد نیاز می‌تواند منجر به آسیب دیدن تجهیزات شود و استفاده از اندازه بزرگ‌تر از حد مورد نیاز نیز از نظر اقتصادی بهینه نیست. اندازه‌گیری مناسب اطمینان از قابلیت اطمینان و بهره‌وری سیستم را فراهم می‌کند.

عوامل مؤثر بر ظرفیت AHF کدامند؟

ظرفیت AHF تحت تأثیر بزرگی جریان‌های هارمونیک، تغییرپذیری بار و همچنین پیش‌بینی رشد آینده بار قرار دارد.

اهمیت شاخص کلی چرخش هارمونیک (THDi) چیست؟

THDi معیاری از میزان چرخش هارمونیک در یک سیستم الکتریکی است. THDi بالا می‌تواند منجر به گرمای بیش از حد ترانسفورماتورها و خرابی تجهیزات شود، به همین دلیل حفظ آن در زیر آستانه‌های بحرانی ضروری است.

پروفایل‌گیری بار چگونه در اندازه‌گیری AHF کمک می‌کند؟

پروفایل‌گیری بار به ثبت تغییرات شرایط بار در طول زمان کمک می‌کند تا بتوان به طور دقیق‌تری مشخصه هارمونیک سیستم الکتریکی را ارزیابی کرد و اطمینان حاصل کرد که AHF به اندازه کافی برای شرایط فعلی و آینده تنظیم شده است.