كيف تتشكل التوافقيات وتنتشر وتنظف في الأحمال غير الخطية

1 المقدمة

لقد غيرت الثورة الصناعية الحياة بفضل التكنولوجيا، ولا سيما الطاقة الكهربائية الموزعة عالميًا عن طريق المرافق. اليوم، تعد جودة الطاقة أمرًا ضروريًا للتشغيل المستمر للمعدات، مما يتطلب طاقة مستقرة وخالية من الأخطاء للمستخدمين المنزليين والصناعيين. تتطلب المرافق معدات عالية الجودة لمنع مشكلات طاقة النظام.

ساهمت الأجهزة المعتمدة على إلكترونيات الطاقة بشكل كبير في توفير الوقود والطاقة ولكنها قدمت أيضًا توافقيات، مما أدى إلى تلوث الفولتية. يستخدم كل من المستخدمين التجاريين والمحليين هذه الأجهزة، التي ترسم تيارات توافقية. ونتيجة لذلك، أصبح ضمان إمدادات الطاقة النظيفة مصلحة مشتركة لكل من المستخدمين والمرافق.

لقد كانت التوافقيات منذ فترة طويلة موضوعًا بالغ الأهمية في مجال جودة الطاقة. قامت العديد من المنظمات الدولية، بما في ذلك IEEE وIET وIEC، بوضع معايير تصميم للحفاظ على إمدادات الطاقة المجانية بشكل متناغم.

تتطلب إدارة أنظمة الطاقة مرافق لإدارة التوافقيات في أصلها لمنع عدم استقرار الشبكة. يتضمن النهج الشامل للتحكم في التوافقيات ثلاث مراحل رئيسية:

1. تحديد المصادر التوافقية

2. قياس المستويات التوافقية

3. تنفيذ تقنيات التطهير

تقوم أقسام البحث والتطوير في المرافق بالبحث للحفاظ على المستويات التوافقية ضمن الحدود المسموح بها. تشمل مجالات البحث الرئيسية ما يلي:

1. تصحيح معامل القدرة في البيئات الملوثة بشكل متناغم
2. فشل نظام تنسيق العزل
3. تشويه الموجي
4. تخفيض تصنيف المحولات والكابلات والمفاتيح الكهربائية ومكثفات تصحيح معامل القدرة

تركز الهيئات التنظيمية على تصميم وتنفيذ معايير التحكم في التوافقيات. وتشمل هذه الأساليب:

1. المرشحات التوافقية النشطة القائمة على المنطق الغامض
2. تقنيات المويجات لتحليل الشكل الموجي
3.  تقنيات PWM المتطورة لتبديل إلكترونيات الطاقة

يهدف هذا الفصل إلى شرح مصادر التوليد التوافقي وتحديدها وقياسها وتقنيات التطهير/القمع. ويهدف إلى توفير قيمة لجميع مهندسي الكهرباء، وخاصة مهندسي المرافق.

2. ما هي التوافقيات؟

في هندسة الطاقة الكهربائية، تشير التوافقيات إلى أشكال الموجات الجيبية التي تكون مضاعفات تردد النظام. يمكن وصف توافقيات النظام على النحو التالي.

التوافقي مقسم إلى تسلسلات موجبة وسالبة وصفرية. تتوافق توافقيات التسلسل الموجب مع التردد الأساسي، في حين تعارضه توافقيات التسلسل السلبي. لا تتأثر توافقيات التسلسل الصفري بالتردد الأساسي.

اتجاه Phasor أمر بالغ الأهمية، وخاصة في المحركات. تعمل التوافقيات التسلسلية الإيجابية على تشغيل المحركات بشكل صحيح، بينما تعمل التوافقيات السالبة على تقليل عزم الدوران. تتضمن الأمثلة 7 و13 و19 للتسلسل الإيجابي، و5 و11 و17 للتسلسل السلبي، و3 و9 و15 للتسلسل الصفري.

تركز المرافق على التوافقيات حتى الترتيب الحادي عشر بسبب انخفاض السعة. تعد إدارة هذه الأمور أمرًا بالغ الأهمية لجودة الطاقة وموثوقية النظام.

3. توليد التوافقيات

Harmonics in electrical networks are produced by various sources, including:

1. Rectifiers
2. Iron cores in power transformers
3. Welding equipment
4. Variable speed drives
5. Periodic switching of voltage and currents
6. AC generators with non-sinusoidal air gap flux distribution or tooth ripple
7. Switching devices like SMPS, UPS, and CFLs

Voltage distortions from AC generators occur due to uneven magnetic fields.

In large power systems, maintaining a smooth output from the generator is vital. However, any deviations in the circuit can lead to harmonics in the current flow. Also, harmonics can originate from the iron cores in transformers, which have a non-linear magnetic behavior.

Managing these harmonic sources is essential for maintaining power quality, ensuring the efficiency and reliability of electrical systems, and preventing potential damage to equipment.

4. Problems associated with harmonics

Harmonic frequencies in electrical systems can lead to several issues:

· Resonant Conditions: Harmonics can create resonant conditions when combined with power factor correction capacitors.

· Increased Losses: System elements, including transformers and generating plants, experience increased losses.

· Insulation Aging: Harmonics accelerate the aging of insulation materials.

· Communication Interference: Harmonics can interrupt communication systems.

· False Tripping: Circuit breakers may experience false tripping due to harmonics.

· Neutral Wire Currents: Large currents can flow in neutral wires, causing potential safety hazards.

5. Harmonics monitoring standards

Harmonic identification in AC power networks led to standards by IEEE, IEC, and IET for monitoring and evaluation. These standards help maintain power quality, with modern AI techniques aiding in improving and enforcing these regulations globally.

6. Harmonics measurement

In a harmonically polluted environment, identifying the best measurement point is challenging. Modern electronics contribute to widespread harmonics, with load profiles varying throughout the day. Accurate harmonic identification requires power quality analyzers or digital oscilloscopes for Fast Fourier Transform (FFT). IEEE Standard 519-1992 outlines procedures for harmonic measurements, but utilities must maintain precise logs for accurate monitoring and mitigation.

• Power Quality Analyser

• Instrument transformers based transducers (CT and PT)

7. Harmonics purging techniques

Active Power Filters (APFs) use power electronics to mitigate harmonic distortions from non-linear loads. They focus on developing control algorithms and load current analysis.

Active Power Filters (APFs) are crucial for improving low-voltage power quality, two type as below:

• series active filters

• shunt active filters

تعمل مرشحات التحويل النشطة، أو المرشحات المتوازية، على مقاومة التشوهات التوافقية في شبكات التيار المتردد الناتجة عن الأحمال غير الخطية. تعمل كمصدر تيار بالتوازي مع الحمل، حيث تكتشف التوافقيات باستخدام أجهزة الاستشعار الدقيقة وتستخدم IGBTs.

8. الاستنتاج

يناقش هذا الفصل القضايا الأساسية المتعلقة بجودة الطاقة، ويغطي مصادر التوافقيات وتأثيراتها على المكونات الكهربائية. ويناقش المعايير التنظيمية للتحكم التوافقي وتقنيات القياس الفعالة. تم تسليط الضوء على استراتيجيات تخفيف التوافقيات، بما في ذلك الاستخدام المبتكر للمرشحات التوافقية النشطة (APFs).

تعد APFs حلولاً محورية للحفاظ على طاقة عالية الجودة، وتعزيز موثوقية النظام، وتحسين كفاءة الطاقة.

إذا كان لديك أي اهتمام بـ APF، نرحب بالاتصال بـ: sales@yt-electric.com