التوافقيات فى الشبكات الكهربائية harmonics
 |
| التوافقيات في الشبكة الكهربائية |
التعريف:
هى عبارة عن إشارات كهربية غير مرغوب فيها تظهر مركبة على الموجة الأساسية فى الشبكة الكهربية وترددها عبارة عن مضاعفات من التردد الاساسى وتتسبب فى تشوة موجة التيار او تشوة موجة الجهد او تشوة الاثنين معا حيث ترددها (100،150،200،250،300،350).
ويتم تقسيم التوافقيات الى توافقيات ذات رتبة فردية (f3، f7، f5) وتوافقيات ذات الرتبة الزوجية(f2،f4،f6).
والتوافقيات الفردية هى الاكثر شيوعا فى الشبكات الكهربية واكثرها تاثيرا توافقيات الدرجة الثالثة .
بداية ظهور التوافقيات:
لم تكن للتوافقيات وجود عند اقامة أول شبكة كهربية وذلك لبساطة طبيعة الأحمال المغذاة أنذاك حيث اقتصرت على أحمال إنارة المنازل ومع التقدم السريع فى العلوم ومع ظهور المحركات الكهربية والعناصر الالكترونية التى شاع استخدامها فى التحكم والاتصالات بدأت مشاكل التوافقيات فى الظهور والتفاقم خاصة مع تزايد الاقبال على استخدام هذه الاحمال الغير خطية فى الشبكه الكهربية، لذا كان الاهتمام بهذه الظاهرة مطلبا ضروريا.
ومع استخدام الكترونيات القوى فى مغيرات السرعة للمحركات الكهربية (Speed Drives) أصبح إرتفاع مستوى التوافقيات مقلق بالنسبه للمهندسين والفنيين العاملين فى مجال الكهرباء. كذلك أدى التوسع فى استخدام مغيرات السرعه الالكترونيه فى الصناعة وكذلك استخدام الحاسب الألى فى الصناعة والتحكم واستخدام لمبات الفلوريسنت ذات البالست الالكترونى فى الاضاءة كل هذا أدى الى زيادة مستوى التوافقيات فى الشبكه الكهربية مما ادى الى حدوث تشوهات فى موجات التيار والجهد.ومع تزايد مصادر التوافقيات فى الشبكه الكهربيه اصبحت موجات التيار والجهد اكثر تشوها.
- اسباب من ناحية الشبكة.
- الاسباب من ناحية الحمل .
ملاحظة:الاحمال الخطية لاتحدث توافقيات .الاحمال الغير خطية تحدث توافقيات .من امثلة المعدات ذات المصدر الرئيسى لوجود التوافقيات من ناحية الحمل .
1-موحدات التيار فى الاجهزة الالكترونية :
تنتج موحدات التيار فى الاجهزة الالكترونية كم كبير من التوافقيات بسبب تغيير شكل الموجة الخارجة عن الموجة الداخلة .
وبالرغم من ان تاثير كل جهاز الكترونى فى زيادة توافقيات الشبكة صغير الا ان كثرة عدد الاجهزة الالكترونية تجعلها مصدر مؤثر للتوافقيات فى الشبكة .
2- مصابيح الفلورسنت:تولد المصابيح قوس كهربى صغير يتولد عنها توافقيات من الدرجة الثالثة ومن الخبرة العملية دلت على ان قيمة هذة التوافقيات قد تصل الى 30%من قيمة تيار التردد الاساسى.
3- المعدات ذات القوس الكهربى:تعد الافران ذات القوس الكهربى من اكبر المصادر المولدة للتوافقيات كما فى مصانع الحديد والصلب وتتشابة معها معدات اللحام بالقوس الكهربى.
من أمثلة المعدات ذات المصدر الرئيسي لوجود التوافقيات من ناحية الشبكة.
1- المحولات:
ينتج عن المحولات فى حالة تحميلها كمية من التوافقيات عادة لا تكون كبيرة ولاكن زيادتها فى الشبكة بوجة عام يؤثر على أداء المحول.
2- الآلات الدوارة:
تكون ملفات المولدات ثلاثية الأطوار متماثلة فى شكل كافي عادا وعلى نحو يجعل قيمة جهد التوافقيات المتولدة صغيرة جدا بما لا يسبب تأثير على الموجة الأساسية.
3- المكثفات: تتولد التوافقيات فى الدوائر التي تحتوى على المكثفات وتسبب تيارات التوافقيات العاملة تسخينا زائداً.
وبالرغم من ان تاثير كل جهاز الكترونى فى زيادة توافقيات الشبكة صغير الا ان كثرة عدد الاجهزة الالكترونية تجعلها مصدر مؤثر للتوافقيات فى الشبكة .
2- مصابيح الفلورسنت:تولد المصابيح قوس كهربى صغير يتولد عنها توافقيات من الدرجة الثالثة ومن الخبرة العملية دلت على ان قيمة هذة التوافقيات قد تصل الى 30%من قيمة تيار التردد الاساسى.
3- المعدات ذات القوس الكهربى:تعد الافران ذات القوس الكهربى من اكبر المصادر المولدة للتوافقيات كما فى مصانع الحديد والصلب وتتشابة معها معدات اللحام بالقوس الكهربى.
من أمثلة المعدات ذات المصدر الرئيسي لوجود التوافقيات من ناحية الشبكة.
1- المحولات:
ينتج عن المحولات فى حالة تحميلها كمية من التوافقيات عادة لا تكون كبيرة ولاكن زيادتها فى الشبكة بوجة عام يؤثر على أداء المحول.
2- الآلات الدوارة:
تكون ملفات المولدات ثلاثية الأطوار متماثلة فى شكل كافي عادا وعلى نحو يجعل قيمة جهد التوافقيات المتولدة صغيرة جدا بما لا يسبب تأثير على الموجة الأساسية.
3- المكثفات: تتولد التوافقيات فى الدوائر التي تحتوى على المكثفات وتسبب تيارات التوافقيات العاملة تسخينا زائداً.
المشكلات الناتجة عن التوافقيات.
تسبب التوافقيات مشكلات عديدة للمعدات الكهربية المختلفة وأجهزة التحكم مما يؤدى إلى انخفاض كفاءة تشغيلها أو تعطيل عملها وفيما يلي أهم المشكلات الناتجة عن التوافقيات فى أجهزة ومعدات الشبكة الكهربية.
المحولات:
تؤثر التوافقيات على المحولات تأثير مزدوجا حيث تسبب زيادة فى المفاقيد النحاسية والمفاقيد الحديدية ويكون التأثير الاجمالى هو زيادة سخونة المحول.
يعتمد الفقد فى المحول الناتج عن التوافقيات على التردد وتكون التوافقيات ذات القيمة العالية فى التردد لها تأثير ملحوظ على الفقد وتؤدى زيادة درجة الحرارة إلى تدهور العزل مما يؤدى عنة تعطل المحول بالكامل.
وينبغي إذا كان من المتوقع استعمل المحول فى وجود موجة مشوهة ( وجود التوافقيات ) إن يتم تصميمة على أساس هامش أمان اكبر مما يؤدى إلى زيادة التكلفة لإنشاء المحول.
ويمكن خفض قدرة تحميل المحول فى وجود التوافقيات.
الآلات والمحركات الدوارة:
تتأثر الآلات والمحركات الدوارة بالتوافقيات وتزداد سخونتها الناتجة من الفقد فى الحديد والنحاس عند التوافقيات قد تؤثر التوافقيات على العزل وتؤدى إلى زيادة الضوضاء الناتجة عنة.
يمكن إن تؤدى التوافقيات فى المحرك الحثى إلى توزيع المجال المغناطيسي فى الفجوة الهوائية بشكل يمكن إن يؤدى إلى ظاهرة تسمى الزحف أو الامتناع عن الحركة.
قد تؤدى التوافقيات عالية الدرجة إلى تدهور أداء أجهزة التحكم فى السرعة وأجهزة بدء الحركة الالكترونية الخاصة بالمحركات.
الموصلات:
قد تسبب التوافقيات فى زيادة فى تحميل الموصلات وزيادة فى تسخينها وفى بعض الأحيان يمكن آن تسبب التوافقيات الثلاثية ذات الدرجات الفردية (9، 6، 3) قد تؤدى إلى تسخين موصلات التعادل.
المعدات الالكترونية:
يمكن آن تتسبب التوافقيات فى تشغيل المعدات الالكترونية بطريقة سيئة وخاصة تلك التي تشتمل على أجهزة تحكم (plc) المبرمج المستخدم فى العمليات الصناعية.
أجهزة القياس:
تتم معايرة عدادات استهلاك الطاقة على أساس آن التغذية الكهربية تتم من موجة ذات شكل جيبي خالص وقد تعطى هذة العدادات قراءات خاطئة عند وجود التوافقيات.
مصابيح التفريغ الغازية:
يحدث العطل فى الكوابح بسبب السخونة الزائدة التي تسببها التوافقيات.
معدات أخرى:
ينتج بسبب التوافقيات خلل فى مرحلات التحكم والوقاية و مفاتيح لوحات التوزيع و المعدات المستخدمة فى التسخين الكهربي.
وبشكل عام يمكن آن تسبب التوافقيات الشديدة التي تؤثر فى الدائرة لفترة زمنية طويلة إجهاد حراري يترتب علية استهلاك المعدات بصورة سريعة.
طرق تقليل التوافقيات:
يجب التخلص من مصادر توليد التوافقيات الشديدة فى الشبكة المغذية للمستهلك .
وذلك بعلاج موضعيا لمنع انتشار تاثيرها فى الشبكة ويمكن فى هذة الحالة اجراء بعض التعديلات فى الشبكة لتقليل من ضرر التوافقيات اما اذا كان ذلك مكلفا فيمكن الاكتفاء بازالة الاثار الضارة .
وعندما يصبح من الصعب خفض توافقيات معينة ينبغى تقوية مكونات الشبكة بالقدر الذى يمكنها من تحمل هذة التوافقيات ويتم ذلك باجراء التالى :
تسبب التوافقيات مشكلات عديدة للمعدات الكهربية المختلفة وأجهزة التحكم مما يؤدى إلى انخفاض كفاءة تشغيلها أو تعطيل عملها وفيما يلي أهم المشكلات الناتجة عن التوافقيات فى أجهزة ومعدات الشبكة الكهربية.
المحولات:
تؤثر التوافقيات على المحولات تأثير مزدوجا حيث تسبب زيادة فى المفاقيد النحاسية والمفاقيد الحديدية ويكون التأثير الاجمالى هو زيادة سخونة المحول.
يعتمد الفقد فى المحول الناتج عن التوافقيات على التردد وتكون التوافقيات ذات القيمة العالية فى التردد لها تأثير ملحوظ على الفقد وتؤدى زيادة درجة الحرارة إلى تدهور العزل مما يؤدى عنة تعطل المحول بالكامل.
وينبغي إذا كان من المتوقع استعمل المحول فى وجود موجة مشوهة ( وجود التوافقيات ) إن يتم تصميمة على أساس هامش أمان اكبر مما يؤدى إلى زيادة التكلفة لإنشاء المحول.
ويمكن خفض قدرة تحميل المحول فى وجود التوافقيات.
الآلات والمحركات الدوارة:
تتأثر الآلات والمحركات الدوارة بالتوافقيات وتزداد سخونتها الناتجة من الفقد فى الحديد والنحاس عند التوافقيات قد تؤثر التوافقيات على العزل وتؤدى إلى زيادة الضوضاء الناتجة عنة.
يمكن إن تؤدى التوافقيات فى المحرك الحثى إلى توزيع المجال المغناطيسي فى الفجوة الهوائية بشكل يمكن إن يؤدى إلى ظاهرة تسمى الزحف أو الامتناع عن الحركة.
قد تؤدى التوافقيات عالية الدرجة إلى تدهور أداء أجهزة التحكم فى السرعة وأجهزة بدء الحركة الالكترونية الخاصة بالمحركات.
الموصلات:
قد تسبب التوافقيات فى زيادة فى تحميل الموصلات وزيادة فى تسخينها وفى بعض الأحيان يمكن آن تسبب التوافقيات الثلاثية ذات الدرجات الفردية (9، 6، 3) قد تؤدى إلى تسخين موصلات التعادل.
المعدات الالكترونية:
يمكن آن تتسبب التوافقيات فى تشغيل المعدات الالكترونية بطريقة سيئة وخاصة تلك التي تشتمل على أجهزة تحكم (plc) المبرمج المستخدم فى العمليات الصناعية.
أجهزة القياس:
تتم معايرة عدادات استهلاك الطاقة على أساس آن التغذية الكهربية تتم من موجة ذات شكل جيبي خالص وقد تعطى هذة العدادات قراءات خاطئة عند وجود التوافقيات.
مصابيح التفريغ الغازية:
يحدث العطل فى الكوابح بسبب السخونة الزائدة التي تسببها التوافقيات.
معدات أخرى:
ينتج بسبب التوافقيات خلل فى مرحلات التحكم والوقاية و مفاتيح لوحات التوزيع و المعدات المستخدمة فى التسخين الكهربي.
وبشكل عام يمكن آن تسبب التوافقيات الشديدة التي تؤثر فى الدائرة لفترة زمنية طويلة إجهاد حراري يترتب علية استهلاك المعدات بصورة سريعة.
يجب التخلص من مصادر توليد التوافقيات الشديدة فى الشبكة المغذية للمستهلك .
وذلك بعلاج موضعيا لمنع انتشار تاثيرها فى الشبكة ويمكن فى هذة الحالة اجراء بعض التعديلات فى الشبكة لتقليل من ضرر التوافقيات اما اذا كان ذلك مكلفا فيمكن الاكتفاء بازالة الاثار الضارة .
وعندما يصبح من الصعب خفض توافقيات معينة ينبغى تقوية مكونات الشبكة بالقدر الذى يمكنها من تحمل هذة التوافقيات ويتم ذلك باجراء التالى :
- زيادة مساحة مقطع الكابلات او اضافة كابلات جديدة لزيادة قدرة الشبكة على تحمل التوافقيات العالية .
- خفض القدرة عند تحميل المحولات (حيث يكون الخفض من 50الى 70%)مع اضافة وحدات جديدة او استبدال الوحدات القائمة بأخرى جديدة ذات قدرة عالية .
- إعادة توزيع الاحمال فى الشبكات ثلاثية الاوجة لموازنة التوافقيات او لموازنة تيارات الاحمال بجميع الموصلات .
ليست هناك تعليقات