توليد وتأثير المشاكل التوافقية

توليد وتأثير المشاكل التوافقية

تنتج التوافقيات في الأنظمة الكهربائية عن مكونات غير خطية، والتي تشوه الموجة الجيبية للتيار الكهربائي. مع انتشار إلكترونيات الطاقة، يزداد أيضًا تشوه الجهد أو التوافقيات. تقدم أجهزة مثل محركات التردد المتغير (VFDs) وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) والمحولات أنواعًا مختلفة من التوافقيات في النظام. يمكن أن تؤدي هذه التوافقيات إلى مشاكل مثل فشل الجهاز وارتفاع درجة الحرارة وقصر عمر المعدات. يمكن أن يساعد استخدام المرشحات التوافقية في تقليل هذه التوافقيات الضارة أو إزالتها قبل أن تسبب ضررًا.

فهم التوافقيات في أنظمة الطاقة الكهربائية

تنتج التيارات التوافقية من السلوك غير الخطي للأجهزة الكهربائية. تأتي هذه التيارات، والجهود التوافقية التي تسببها، من مصادر مختلفة يمكن أن تختلف بشكل كبير في الحجم. تاريخيًا، كانت الأجهزة مثل المحولات أو المولدات مصادر مهمة للتوافقيات. اليوم، مع التركيز على كفاءة الطاقة، لا يزال تقليل التوافقيات مهمًا للعديد من الصناعات، مثل معالجة المياه والنفط والغاز.

تحتاج العديد من المرافق إلى تلبية المعايير التشغيلية والبيئية الصارمة، وغالبًا ما تعمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. معظم مشاكل الطاقة داخل هذه المرافق تنشأ من المحطة نفسها. التوافقيات، الشائعة في هذه الأنظمة، يمكن أن تسبب أي شيء بدءًا من الإزعاجات البسيطة وحتى الأعطال الشديدة في المعدات. يعد تصفية هذه التوافقيات، سواء من خلال الحلول النشطة أو السلبية، أمرًا ضروريًا لتحسين أداء المعدات وضمان موثوقية النظام الكهربائي للمنشأة.

IEEE 519-2014 والترشيح التوافقي

يعد معيار IEEE 519-2014 بمثابة دليل توجيهي معترف به على نطاق واسع يحدد المستويات القصوى المسموح بها لتشويه التيار والجهد عند نقطة الاقتران المشترك (PCC). تعتمد هذه الحدود على حمل النظام وتيار الدائرة القصيرة.

يمكن أن يؤدي استخدام المرشحات والمفاعلات التوافقية السلبية والنشطة ECOsine® في النظام الكهربائي إلى خفض التوافقيات إلى المستويات التي تلبي معظم المعايير الدولية. تساعد هذه المرشحات على تقليل الحمل على الخطوط والمحولات عند تحميل الأحمال غير الخطية، مما يقلل من خسائر النظام ودرجات حرارة التشغيل. كما أنها تعمل على تحسين عامل الطاقة، وإبقائه قريبًا من الوحدة حتى عندما لا يكون الحمل بكامل طاقته.

تأثير التوافقيات على المعدات

تُستخدم محولات التردد بشكل شائع للتحكم في محركات التيار المتردد في تطبيقات مختلفة مثل المضخات والمراوح وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC). غالبًا ما تستخدم هذه العاكسات تقنيات تبديل أشباه الموصلات عالية السرعة التي يمكن أن تخلق مشاكل توافقية.

تولد التطبيقات عالية الطاقة مثل أفران القوس ومعدات اللحام أيضًا تشويهًا توافقيًا كبيرًا بسبب تشغيلها غير الخطي. وهذا يمكن أن يؤدي إلى أنماط وتحديات توافقية غير عادية للنظام الكهربائي.

Sensitive electronic components, such as those in CNC machines, are particularly vulnerable to power system imperfections caused by harmonics. These issues can lead to equipment malfunctions, production delays, and quality problems, which can have financial consequences for the company.

Variable speed drives, often used in pumps and fans, contribute to harmonic distortion, which can overload the electrical infrastructure and cause malfunctions in sensitive equipment. In water treatment facilities, powerful VFD-driven air compressors can create high levels of harmonic distortion, leading to serious problems.

Harmonics can severely impact the electrical power network, leading to failed components, tripped breakers, blown fuses, overheating, insulation breakdown, and reduced equipment lifespan. These issues can cause production downtime and costly repairs, reducing company profits.

To fully understand and address harmonic issues, a site survey or engineering study may be needed. Many facilities follow the IEEE 519-2014 guidelines to ensure acceptable distortion levels. Reviewing the entire system, including any planned or new equipment, is essential for effective harmonic mitigation.

Passive Harmonic Filters

One way to reduce harmonics is by using passive harmonic filters. These filters are usually installed on a one-to-one basis, with one filter for each VFD. In some cases, a larger filter can handle multiple drives.

The best place to eliminate harmonics is directly at the source—the individual nonlinear load. A passive filter provides a low-resistance path for harmonic currents, significantly reducing the harmonics in the electrical system. This helps the system draw cleaner, sinusoidal current from the power source.

Installing passive harmonic filters immediately benefits the system by reducing harmonic amplitudes, lowering losses, and improving equipment efficiency and reliability. These filters also help maximize the capacity of the electrical system.

Passive filters can reduce total harmonic current distortion to acceptable levels, meeting IEEE 519 standards. They are designed to perform well under both full and partial load conditions.

Passive filters come in two types: those reducing total harmonic distortion to less than 5% (THDi) and those reducing it to 7-10% THDi. While IEEE 519 is often , sometimes a 7% or 8% improvement is sufficient for the end user. Generally, passive filters are more economical than active filters but may not address a wide range of harmonics.

Active Harmonic Filters

Another method to reduce harmonics is using active harmonic filters (AHF). These devices monitor the nonlinear load and dynamically inject a counter-current to cancel out harmonics. This keeps the current supplied by the power source sinusoidal and reduces harmonic distortion to below 5% THDi, meeting standards.

تم تصميم AHFs للتكيف بسرعة مع تغييرات التحميل، والتعامل مع التوافقيات حتى الترتيب الخمسين. وهي تعمل عبر نطاق ترددي واسع، وتتكيف حسب الحاجة مع الطيف التوافقي.

بالإضافة إلى تقليل التوافقيات، يمكن للمرشحات التوافقية النشطة تحسين معامل القدرة عن طريق تعويض التيار التفاعلي. كما أنها توازن أحمال الطور. تتميز أجهزة AHF بأنها مدمجة وفعالة ويمكن تركيبها في أي نقطة في شبكة التيار المتردد ذات الجهد المنخفض. إنها توفر وظائف أكثر من المرشحات السلبية، مما يجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات.

تعتبر AHFs متعددة الاستخدامات ويمكن استخدامها للأحمال غير الخطية الفردية أو المتعددة. إنها مفيدة بشكل خاص في البيئات التي تكون فيها طرق تصحيح معامل القدرة التقليدية غير كافية بسبب المحتوى التوافقي العالي.

مثال لتطبيق الفلتر النشط

وفي أحد التطبيقات، عانت معدات تصحيح معامل القدرة من خسائر بسبب التوافقيات. أدى تركيب AHF بتيار تعويض قدره 500 أمبير إلى توفير التخفيف الكهربائي والحراري المطلوب، وتحسين جودة الطاقة، وجعل من الممكن إضافة مولد احتياطي. إن قدرة AHF على التكيف مع الشبكة المتغيرة وظروف التحميل ضمنت التشغيل المستمر لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي.

الأفكار النهائية

بعد تحديد المشاكل التوافقية، من المهم مراجعة الحل الصحيح وتنفيذه. بالنظر إلى المشكلات العديدة التي تسببها التوافقيات - مثل فشل المعدات، وتكاليف الصيانة، وتوقف الإنتاج - فإن الاحتفاظ بسجلات لهذه التكاليف يمكن أن يساعد في تبرير الاستثمار في معدات التخفيف وحساب عائد الاستثمار (ROI).