کیفیت توان چیست؟

کیفیت توان یا Power Quality چیست؟

برای تعریف کیفیت توان با یک مثال شروع می‌کنیم: هنگام خرید خودرو، معمولاً می‌خواهید کیفیت آن را تعیین کنید.

شما یک خودروی باکیفیت می‌خواهید که عمر طولانی داشته باشد، هزینه تعمیر و نگهداری پایینی داشته باشد و در استفاده از آن مقرون به صرفه باشد.

برای یک محصول کمتر ملموس مانند انرژی الکتریکی، ما کمتر از اهمیت نظارت بر جنبه های کیفی آن آگاه هستیم. کیفیت انرژی الکتریکی (توان) با عبارت Power Quality توصیف می‌شود و توسط استانداردها و دستورالعمل ها تضمین می‌شود.

هزینه های کیفیت ضعیف توان در بیشتر موارد از بودجه نگهداری پرداخت می‌شود و اجتناب ناپذیر است.

در عین حال، کیفیت توان به دلیل افزایش تجهیزات الکترونیکی و تولید انرژی غیرمتمرکز تحت فشار فزاینده ای قرار می‌گیرد.

با ارائه بینش نسبت به کیفیت توان و مدیریت این اطلاعات، در هزینه ها صرفه جویی می‌شود و کیفیت سازمان و محصول نهایی افزایش می‌یابد.

کیفیت توان و "قانون اهم"

سینوسی خالص (Pure sinusoidal)

ولتاژ (U) بر حسب ولت (V) بیان می‌شود و در هلند به طور ایده آل دارای مقدار مؤثر (RMS) 230 ولت (ولتاژ پایین)، فرکانس 50 هرتز و سینوسی است.

این ولتاژ در نیروگاه ها تولید می‌شود و از طریق شبکه توزیع ملی و محلی در اختیار مصرف کننده نهایی قرار می‌گیرد. اگر ولتاژ اعمالی سینوسی خالص و بار خطی باشد، جریان در همه جای نصب سینوسی خالص خواهد بود.

ولتاژ و جریان از طریق امپدانس نصب بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند - قانون اهم

در شکل زیر یک موتور به پشت ترانسفورماتور برق متصل است. شبکه، نصب و به خصوص ترانسفورماتور اصلی یک امپدانس را تشکیل می‌دهند.

موتور رفتار خطی دارد و جریان سینوسی می‌کشد. بنابراین، پس از امپدانس، ولتاژ کمی کمتر است (افت ولتاژ) و همچنین کمی در فاز (القایی) جابجا می‌شود، اما همچنان سینوسی است.

ولتاژ درتی (Dirty voltage)

اگر جریان گرفته شده توسط تجهیزات الکترونیکی مانند روشنایی LED، درایوها یا نقاط شارژ خودروهای الکتریکی سینوسی نباشد، امپدانس نصب باعث آلودگی ولتاژ می‌شود.

از این گذشته، با جریان غیر سینوسی، افت ولتاژ در سراسر امپدانس سینوسی نیست. این منجر به ولتاژ آلوده می‌شود.

حال اگر موتوری با رفتار خطی پشت امپدانس مثال بالا متصل شود، موتور دچار ولتاژ آلوده (ناشی از امپدانس و رفتار غیر خطی تجهیزات الکتریکی) می‌شود.

کیفیت توان و مسئولیت ها (شبکه کد EN50160)

سه قسمت مسئول درست کارکردن تجهیزات هستند:

اپراتور شبکه

اپراتور شبکه مسئول تامین ولتاژ با کیفیت کافی است. این کیفیت می‌تواند تحت تأثیر شبکه ضعیف و تأثیر مشتری قرار گیرد.

در نقطه انتقال - نقطه اتصال مشترک (PCC) - کیفیت باید مطابق با کد شبکه باشد که از استاندارد اروپایی EN50160 مشتق شده است. شرایط مرزی برای ولتاژ در EN50160 تعیین شده است.

سازنده

سازندگان تجهیزات اطمینان حاصل می‌کنند که تجهیزات آنها مطابق با استانداردها و الزامات قابل اجرا به درستی کار می‌کند.

بنابراین تجهیزات در برابر آلودگی ولتاژی که در محدوده استاندارد اتفاق می‌افتد مصون است. این بدان معنی است که تجهیزات به درستی کار می‌کنند و عمر اقتصادی مورد انتظار را به دست خواهند آورد.

اگر آلودگی موجود خارج از استاندارد باشد، احتمال زیادی وجود دارد که تجهیزات به درستی کار نکنند یا حتی خراب شوند.

تجهیزات همچنین دارای استانداردهایی برای حداکثر انتشار آلودگی به سایر مصرف کنندگان هستند.

به عنوان مثال، برای تجهیزات تا 75 A، استانداردهای خاصی برای حداکثر جریان هارمونیک مجاز اعمال می‌شود. انتشار جریان های هارمونیک برای تجهیزات با توان های بالاتر در استانداردها مشخص نمی شود.

مسئول نصب (مشتری)

مشتری موظف است اطمینان حاصل کند که تاسیسات الکتریکی الزامات را برآورده می‌کند، تجهیزات مطابق با دفترچه راهنمای نصب منصوب می‌شود و مطابق با دفترچه راهنمای کاربر استفاده می‌شود.

اگر اپراتور شبکه و سازندگان مسئولیت خود را انجام دهند، انتظار می‌رود کیفیت ولتاژ معین به تجهیزات روی PCC مطابق با IEC61000-2-4 باشد. این پیش شرط های ولتاژ در شبکه های غیر عمومی را تعیین می‌کند.

هرچند این یک ضمانت نیست. اگر ولتاژ PCC با این استاندارد مطابقت نداشته باشد، گارانتی تجهیزات متصل از بین می‌رود و عمر فنی مورد انتظار تجهیزات بسیار کاهش می‌یابد.

این باعث می‌شود که IEC61000-2-4 مسئولیت صریح شخص مسئول نصب را بر عهده بگیرد.

کیفیت توان و استانداردها

پیش شرط های ولتاژ در شبکه های عمومی

حداقل کیفیت ولتاژ در هلند در کد شبکه تعیین می‌شود. این از EN50160 مشتق می‌شود.

به عنوان مثال، در استاندارد اروپایی EN50160، بیان می‌شود که ولتاژ ممکن است بیش از 10٪ از مقدار اسمی در طول یک دوره در نظر گرفتن یک هفته، 99٪ مواقع انحراف نداشته باشد. مقادیر حدی در کد شبکه سخت‌تر از EN50160 است.

پیش شرط های ولتاژ در شبکه های غیر عمومی

استاندارد IEC61000-2-4 مقادیر حدی ولتاژ را در شبکه های غیر عمومی تا 35 کیلو ولت توصیف می‌کند. کیفیت ولتاژ ارائه شده به تجهیزات باید با استاندارد IEC61000-2-4 مطابقت داشته باشد.

اگر از مقادیر استاندارد فراتر رود، ممکن است دستگاه یا نصب از کار بیفتد (تسریع شود) و ترتیبات گارانتی دیگر اعمال نخواهد شد. این بدان معنی است که استاندارد IEC61000-2-4 همچنین به یک دستورالعمل ایمنی برای سازندگان ماشین تبدیل می‌شود.

در EN61000-2-4، سه کلاس برای طراحی و نظارت بر تاسیسات الکتریکی غیر عمومی قابل تشخیص است. این کلاس ها (کلاس 1، 2 و 3) درجه آلودگی مجاز را در یک تاسیسات الکتریکی تعیین می‌کنند.

این باید را هنگام طراحی یک نصب در نظر بگیرند و باید اطمینان حاصل شود که همه تجهیزات متصل به درستی در کلاس انتخابی کار می‌کنند.

• کلاس 1 عمدتاً برای تجهیزات حساس در مراکز اطلاعات و بیمارستان ها و آزمایشگاه ها کاربرد دارد.
• کلاس 2 استاندارد است، تجهیزات استاندارد قابل استفاده است.
• کلاس 3 عمدتاً برای سیستم های خاص (اختصاصی) در صنایع سنگین کاربرد دارد. این کلاس سطح بالایی از آلودگی را امکان پذیر می‌کند، به این معنی که همه تجهیزات متصل باید از این سطح بالای آلودگی مصون باشند.

پدیده های کیفیت توان

در استانداردهای کیفیت توان، تعدادی از خصوصیات ولتاژ و جریان را متمایز می‌کنیم.

استانداردهای کیفیت برق که برای مصرف کننده و اپراتور شبکه مهم هستند اغلب به کیفیت ولتاژ اشاره می‌کنند، زیرا ولتاژ تحت تأثیر جریان است.

وقتی نوبت به کیفیت ولتاژ می‌رسد، بین پدیده های مداوم و پدیده های گذرا تمایز قائل می‌شویم.

ما به طور خلاصه به تعدادی از این اتفاق ها می‌پردازیم.

آلودگی هارمونیک

به طور معمول ولتاژ شبکه سینوسی خالص است. اگر یک بار خطی به آن متصل شود (مانند لامپ رشته ای، موتور یا خازن)، جریانی که جریان خواهد داشت کاملاً سینوسی است. هنگامی که یک بار غیر خطی به یک ولتاژ خطی متصل می‌شود، یک جریان غیر خطی می‌کشد.

ما این جریان را جریان "dirty current" یا "non-linear" می‌نامیم. به عنوان مثال: یک جریان غیر خطی می‌تواند مانند شکل 4 باشد. ما جریان های کثیف را در ایستگاه های پمپاژ، کشتی ها، بیمارستان ها، مراکز داده و ساختمان های اداری کارآمد می‌بینیم.

یک جریان غیر خطی که به عنوان سیگنال و در تحلیل فوریه نشان می‌دهند.

همانطور که در "کیفیت توان و قانون اهم" توضیح دادیم، یک جریان غیر خطی باعث افت ولتاژ غیر خطی در امپدانس هایی مانند مجراها و ترانسفورماتورها می‌شود.

این باعث آلودگی ولتاژ می‌شود. آلودگی ولتاژ کل با THD-U و کل آلودگی فعلی با THD-I بیان می‌شود.

تحلیل فوریه (Fourier analysis)

سیگنال های سینوسی دوره ای را می‌توان از چندین سیگنال سینوسی با فرکانس های مختلف ساخت. این در یک طیف هارمونیک نمایش داده می‌شود که آنالیز فوریه نیز نامیده می‌شود. این تحلیل برای شناسایی مشکلات کیفیت توان کاربرد دارد.

اثرات کوتاه مدت یا مستقیم آلودگی هارمونیک عبارتند از:

• خاموش شدن ناخواسته دستگاه های امنیتی
• صداها و فرکانس های غیرعادی در تابلوهای توزیع و ترانسفورماتورها.
• خرابی خازن ها در اثر بار اضافی حرارتی.
• ایجاد تشدید.
• اتلاف انرژی در کابل های ترانسفورماتور به دلیل تلفات جریان گردابی (eddy current).

تجاوز از مقادیر استاندارد منجر به موارد زیر می‌شود:

• منسوخ شدن سریع تجهیزات و از دست دادن ظرفیت تولید؛
• تسریع پیری خازن ها، به عنوان مثال، در VSA ها.
• پیری کابل ها و ترانسفورماتورها و در نتیجه بار اضافی.
• پیری سریع موتورها به دلیل جریان ضربانی (ارتعاشات)؛
• خرابی موتورها در اثر جریان ضربانی (ارتعاشات).

افت ولتاژ (Voltage dips)

در عمل افت ولتاژ بیشترین هزینه را به همراه دارد. طبق استاندارد اروپایی EN-50160، افت ولتاژ به این معنی است:

کاهش ناگهانی مقدار موثر ولتاژ به مقداری بین 90% و 1% مقدار توافقی و بلافاصله پس از آن بازیابی این ولتاژ مدت زمان افت ولتاژ بین نیم دوره (10ms) تا 1 دقیقه است ."

اگر مقدار موثر ولتاژ کمتر از 90 درصد مقدار توافقی نباشد، این وضعیت عملیاتی را عادی در نظر می‌گیرند. اگر ولتاژ کمتر از 1% مقدار توافق شود، این یک وقفه است.

افت ولتاژ می‌تواند ناشی از پدیده های مختلفی در شبکه باشد. بیشتر افت ولتاژ ناشی از پدیده روشن شدن یا خطا و مسدود شدن در شبکه ولتاژ متوسط است.

دلایل افت ولتاژ:

• جریان های هجومی بارهای بزرگ
• بسته شدن در نصب ولتاژ پایین
• خرابی یا بسته شدن در شبکه ولتاژ متوسط
• بسته شدن یا اختلال در شبکه فشار قوی

اگرچه افت ولتاژ اغلب مورد توجه قرار نمی‌گیرد، اما می‌تواند باعث شکست فرآیندهای حیاتی یا مشکلات کیفیت در تولید شود.

افت ولتاژ همچنین می‌تواند منجر به پیک جریان در هنگام افت ولتاژ (بار الکترونیکی) یا اوج روشن شدن در هنگام بازگشت ولتاژ شود. این پیک جریان می‌تواند منجر به فعال شدن وسایل حفاظتی شود.

لرزش (Flicker)

فلیکر ولتاژی است که به طور دوره ای در حال تغییر است که به صفحه نمایش و چراغ های سوسو زن (لرزیدن) تبدیل می‌شود. برای تعیین سوسو زدن، باید یک سنجش با الگوریتم سنجش مشروح در EN 61000-4-15 انجام شود.

مقادیر فلیکر به صورت Pst (10 دقیقه، کوتاه مدت) و Plt (2 ساعت، طولانی مدت) توصیف می‌شوند. معمولاً از مقادیر حد "1" برای حداکثر مقدار برای Plt کاربرد دارد.

دلایل فلیکر

فلیکر اغلب در اثر روشن شدن مکرر و تغییر شدید بارهای بارهای بزرگ مانند آسیاب چکشی، جوشکار نقطه ای و فلاشرهای قوس الکتریکی ایجاد می‌شود.

پارک های خورشیدی و توربین های بادی نیز می‌توانند علت باشند. از آنجایی که امپدانس شبکه تأثیر عمده ای بر درجه فلیکر دارد، فلیکر در بیشتر موارد مشکل مشترک اپراتور شبکه و مصرف کننده است.

نور چشمک زن اصلی ترین و قابل مشاهده ترین اثر فلیکر است. با فرکانس چشمک زن تقریباً 8 هرتز، این حتی می‌تواند منجر به شکایات پزشکی در افرادی شود که مرتباً باید با این مشکل برخورد کنند.

این چشمک زدن نور عمدتاً با لامپ های رشته ای صورت می‌گیرد. لامپ های کنترلی الکترونیکی کمتر تحت تأثیر این موضوع قرار می‌گیرند. به دلیل تغییر در مقدار پیک موج سینوسی، وسایل الکترونیکی نیز می‌توانند به سرعت پیر شوند.

مدیریت کیفیت توان

هزینه های کیفیت ضعیف برق همیشه قابل رویت نیست و اغلب از بودجه نگهداری پرداخت می‌شود. هنگام ادغام سیستم های سنجش انرژی برای صرفه جویی در انرژی، مطمئناً باید جنبه کیفیت توان را نیز لحاظ کرد و آن را در مفهوم سنجش ادغام کرد.

این سرمایه‌گذاری اضافی نسبتاً کوچک، نظارت فعالانه بر کیفیت انرژی، بهبود آن در صورت امکان و نظارت بر مسئولیت‌ها را ممکن می‌سازد. در مورد اهمیت برق پاک بیشتر بخوانید.

مدیریت کیفیت توان یک فرآیند بهبود مستمر سنجش، تجزیه و تحلیل و بهبود با هدف کاهش هزینه های نگهداری و افزایش در دسترس بودن است.

این واقعیت که این باعث صرفه جویی در انرژی نیز می‌شود، یک چیز اضافی خوب است. ما در اینجا به طور مداوم 3 مرحله را طی می‌کنیم. اندازه گیری، تجزیه و تحلیل و بهبود.

مرحله 1: اندازه گیری
انتخاب معیار مناسب ضروری است

برای یک فرآیند بهبود مستمر، سنجش دائمی و مناسب ضروری است. به نظر آسان تر از آن است. 30 درصد وسایل سنجش اشتباه به هم وصل می‌شوند. چگونه از سنجش صحیح مطمئن می‌شوید؟

• تعیین کنید که چه چیزی را می‌خواهید سنجش کنید و در چه سطحی در نصب
• معیار و ترانسفورماتورهای سنجش مناسب را انتخاب کنید
• ابزار سنجش (آنالایزر) را در جای مناسب قرار دهید
• ابزار سنجش را به درستی وصل کنید
• از پیکربندی صحیح ابزار اندازه گیری اطمینان حاصل کنید

مرحله 2: تجزیه و تحلیل
نتیجه گیری درست

ما فقط می‌توانیم از طریق تفسیر مناسب داده های سنجش به نتیجه گیری درست بپردازیم.

ما می‌خواهیم بتوانیم اطلاعات سنجش را ببینیم، در زمان های مناسب به ما هشدار می‌دهند و گزارش های دوره ای تولید کنیم.

این نیاز به نرم افزار فکر شده دارد. هم نرم افزار روی معیار (غیر مرکزی) و هم نرم افزاری که تمامی نقاط اندازه گیری در آن قابل نصب است (مرکزی).

مرحله 3: بهبود
مشکل PQ را حل کنید

برای مشکلات کیفیت توان، ما ترجیح می‌دهیم مشکل را در منبع حل کنیم. ممکن است سازنده تجهیزات به تعهدات خود عمل نکند یا نصب باید به شکل دیگری ساخته شود.

در برخی موارد، مشکل از اپراتور شبکه است. در صورت عدم موفقیت، مداخله باید با یک راه حل غیرفعال (فیلتر یا جبران) یا یک راه حل فعال مانند یک فیلتر پویا فعال انجام شود.