روش حذف مؤلفه های هارمونیک ژنراتور سنکرون با بارهای غیرخطی

شکل موج ولتاژ تولیدی در ترمینال ژنراتور سنکرون غالباً غیرسینوسی میباشد و در صورتیکه بارهای مصرفی از نوع غیرخطی به آن متصل گردد ولتاژ غیرسینوسی دوسر بار ایجاد میگردد که باعث کاهش کیفیت توان در مصرف کنندگان میشود . در این شرایط، وجود مؤلفه های هارمونیک باعث پدیدآمدن آثار مخربی از جمله افزایش تلفات، نوسانات فرکانس و کاهش پایداری شبکه خواهد شد.

در دنیای امروز، استفاده گسترده از بارهای غیرخطی، موجب تزریق مؤلفه های هارمونیکی جریان در شبکه های قدرت میشود که آثار آن باعث افزایش تلفات در خطوط انتقال و مصرف کنندگان و همچنین تخریب کیفیت توان میشود. با اعمال بارهای غیرخطی، به منظور حفظ و پایداری شبکه، میتوان از فیلترهای مختلف الکترونیک قدرت استفاده کرد . در بارهای صنعتی، توان ظاهری، متشکل از توان های اکتیو و راکتیو میباشد ولی در بارهای غیرخطی، توان ظاهری، مؤلفه دیگری به نام توان اعوجاجی دارد. مقدار این توان در مؤلفه اصلی صفر است اما در مؤلفه های دیگر دارای مقدار میباشد. برای بیان این کمیت، با ارائه الگوریتمی بر پایه تکرار و با هدف حذف این توان برای بارهای غیرخطی (سلفی و کوره های القایی) ارائه کرده تا شکل موج ولتاژ را سینوسی تر کند و اعوجاج آن را بکاهد.

یکی از راه های مقابله با مؤلفه های هارمونیکی در مدارات متصل به بارهای غیرخطی، استفاده از منابع تولید ولتاژ با شکل فرم های کاملاً سینوسی میباشد. شکل موج ولتاژ خروجی در ژنراتورها به عنوان تأثیرگذارترین عامل در حالت عملکردی ماشین، به طور معمول شبه سینوسی میباشد و مؤلفه های هارمونیکی متعددی دارند. از مهمترین آثار این هارمونی که میتوان به تغییر نقطه کار، افزایش تلفات هسته، افزایش نویز و لرزش و همچنین کاهش پایداری ماشین اشاره کرد. بنابراین، کاهش این هارمونیک های مزاحم، از مهمترین اهداف محققان در این حوزه به شمار می آید. برای رسیدن به این هدف، یکی از مهمترین و متداولترین روش ها، استفاده از سیم پیچی گام کسری و گسترده در استاتور میباشد.

برمبنای یک تحلیل ریاضی جامع با هدف کاهش دامنه مؤلفه های هارمونیکی مزاحم، طرحی در نحوه سیم پیچی استاتور ماشین های جریان متناوب ارائه شده است. در این ساختار، با استفاده از تغییر در تعداد دور و موقعیت قرار گرفتن کلاف ها، مقدار هارمونیک های مزاحم به حداقل رسیده است. بنابراین، دستیابی به شکل موج مطلوب شار و به تبع آن بهبود مشخصه های عملکردی و پارامترهای ماشین میسر میگردد.

مطالعه بیشتر : سنکرون کردن دیزل ژنراتور ها

آنالیز هارمونیکی تابع سیم پیچی در ژنراتور سنکرون

وقتیکه یک بار غیرخطی به سیستم قدرت متصل میشود باعث به وجود آمدن جریان غیرسینوسی میشود. شکل موج جریان میتواند با توجه به نوع بار، فرمت های متفاوتی داشته باشد. شکل موج جریان، مؤلفه های متعددی از سینوسی و کسینوسی دارد که با استفاده از سری فوریه میتوان دامنه این مؤلفه ها را به دست آورد. آثار این مؤلفه ها، بر ولتاژ مصرف کننده های دیگر تأثیرگذار خواهد بود که باعث پایین آمدن کیفیت توان در سیستم های قدرت خواهد شد.

یکی از راهکارهای مقابله با حذف هارمونیک های مزاحم، طراحی ژنراتورهایی با خروجی شکل موج ولتاژ کاملاً سینوسی میباشد. این مقاله، ژنراتورهای سنکرون با استاتور سه لایه به جای یک و دو لایه را ارائه کرده است . شکل موج ولتاژ خروجی ژنراتور سه لایه در برابر ژنراتور متعارف، کاملاً سینوسی است و مؤلفه های هارمونیک (به جز اصلی) دارای دامن های تقریباً صفر میباشد. حال اگر به ژنراتور پیشنهادی (سه لایه) بار غیرخطی متصل گردد، دامنه مؤلفه های هارمونیک کمتر است و آثار آن هم کاهش مییابد .

برای مقایسه تأثیر دامنه مؤلفه هارمونیک های مزاحم (غیراصلی) به مؤلفه  هارمونیک اصلی (اول)، THD با رابطه ریاضی

که در این رابطه،Eh دامنه ولتاژ القایی هارمونیک h ام (به h مرتبه هارمونیک گویند) و E1 دامنه ولتاژ القایی هارمونیک اول (اصلی) میباشد که در حالت ایده آل باید ضریب سیم پیچی یک و THD صفر باشد.

در این طرح، برای تعداد N دور کلاف یک ماشین اولیه، توزیع سینوسی کلاف ها در همه شیارها مدنظر میباشد. شکل ۱ ساختار سیم پیچی سه لایه را نشان میدهد. ساختار سیم پیچی سه لایه که در آ ن Na ، Nb و Nc تعداد دور کلاف مربوط به فازهای مختلف، به جای N دور کلاف در یک شیار استاتور میباشد را نشان میدهد .

برای حذف مؤلفه های هارمونیک مؤثر در ایجاد اعوجاج شار (مؤلفه های هارمونیکی ۳ ، ۵ ، ۷ ، ۹ ، ۱۱ ،… )، مطابق با بحث های ارائه شده بالا، رابطه زیر برای محاسبه سهم هادی های هر کلاف در هر شیار Nkپیشنهاد گردیده است

که در آ ن Z تعداد شیار استاتور و k شماره کلاف است و از آن تعداد دسته کلاف هر فاز به دست می آید.

تحلیل و بررسی آزمایش های عملی

به منظور اعتبارسنجی سیم پیچی سه لایه ژنراتور سنکرون در مقابل سیم پیچی های متعارف یک لایه، در این مقاله، بارهای غیرخطی به دو ژنراتور سنکرون با طرح یک و سه لایه اعمال شد و نتایج به دست آمده بررسی گردید .

برای آزمایش عملی در آزمایشگاه، لامپ های کم مصرف، موتورهای القایی سه فاز و لامپ های رشته ای متصل به پل دیود (بار متصل به ادوات الکترونیک قدرت) به عنوان سه بار غیرخطی در نظر گرفته شده اند. بارهای ذکر شده، در دو حالت ژنراتور سنکرون با طرح سیم پیچی یک و سه لایه اعمال گردیده و نتایج به دست آمده مقایسه گردیده اند.

موتورهای القایی و ترانسفورماتورها به عنوان بار غیرخطی محسوب میشوند. در ادامه، یک موتور القایی سه فاز به عنوان بار مصرفی برای دو ژنراتور در نظر گرفته شده است. شکل موج ولتاژ و مقایسه دامنه هارمونیک ها برای دو طرح سیم پیچی (یک و سه لایه) در شکل های (۴و۵) نشان میدهد. برای مرحله بعد، در خروجی ژنراتور یک پل دیود سه فاز و یک مجموعه لامپ رشته ای به عنوان بار در نظر گرفته شده است. وجود یکسوکننده باعث غیر خطی شدن بار خواهد شد. شکل موج ولتاژ و مقایسه دامنه هارمونیک ها برای دو طرح سیم پیچی (یک و سه لایه) در شکل های ۶ و ۷  نشان میدهد.

در نهایت بین ژنراتور سنکرون و بار غیرخطی (لامپ رشت های متصل به پل دیود)، مقاومتی قرار داده تا شکل موج جریان توسط اسیلوسکوپ (شکل ۸) اندازه گیری شود. برای مقایسه دو طرح از لحاظ دامنه مؤلفه های هارمونیک مقدار THD را محاسبه کرده که نتایج در جدول زیر ارائه گردیده است. با توجه به نتایج به دست آمده از جدول  مشاهده می گردد که مقدار THD در طرح پیشنهادی نسبت به طرح متعارف کمتر است و معنی آن سینوسی بودن شکل موج ولتاژ و حذف بسیاری از مؤلفه های هارمونیکی در دو سر بار میباشد .

نتیجه گیری

وجود بارهای غیرخطی در شبکه های قدرت باعث ایجاد مؤلفه های هارمونیکی در شکل موج های ولتاژ و جریان میشوند. از جمله آثار مخرب این پدیده، افزایش تلفات و غیرسینوسی شدن ولتاژ مخصوصاً در شبکه های محلی میشود. برای مقابله با هارمونیک های مزاحم میتوان از ژنراتورهایی با شکل موج خروجی کاملاً سینوسی استفاده کرد. در این مقاله، عملکرد بارهای غیرخطی به طور آزمایشگاهی بررسی شد و بر شکل موج ولتاژ و محاسبه THD تمرکز گردید.

نتایج نشان میدهد که استفاده از ژنراتور با سیم پیچی سه لایه در برابر سیم پیچی یک لایه، برای لامپ های کم مصرف مقدار THD از ۱۱.۷۰ به ۵.۵۶ درصد کاهش داشته و برای موتورهای القایی کاهش آن چشمگیر میباشد (از ۱۴.۲۹ به ۱.۴۵ درصد). همچنین، برای لامپ های رشته ای متصل به پل دیود، اندازه گیری شکل موج ولتاژ و جریان به همین صورت کاهش داشته که نشان از حذف و یا تضعیف بسیاری از مؤلفه های هارمونیک غیراصلی در شبکه های محلی متصل به ژنراتور سنکرون با سیم پیچی سه لایه میباشد .

منبع : https://civilica.com

جهت مشاوره خرید و استعلام قیمت، نصب و راه اندازی، راهنمایی و مشخصات فنی فیلتر هارمونیک با کارشناسان دیزل صنعت تماس بگیرید. (۳۳۳۵۹۸۱۸ – ۰۴۱ ).