هارمونیک درایوهای صنعتی چیست؟ (اصول طراحی و انتخاب چوک ورودی، چوک خروجی و فیلتر EMC)

اینورترها (VFD) ناجیان مصرف انرژی در صنعت هستند؛ اما این تکنولوژی هزینه‌ای پنهان دارد که اگر در فاز طراحی تابلو برق نادیده گرفته شود، فاجعه به بار می‌آورد: آلودگی شبکه برق (هارمونیک‌ها)!

بسیاری از کارخانجات پس از نصب تعداد زیادی اینورتر، با پدیده‌های عجیبی نظیر داغ شدن شدید ترانسفورماتورها، انفجار خازن‌های اصلاح ضریب توان و تریپ‌های (قطع) بی‌دلیل رله‌های حفاظتی روبرو می‌شوند. در این یادداشت تخصصی از دپارتمان مهندسی پویاگران صنعت (pscogp)، به بررسی پدیده هارمونیک در درایوها و راهکارهای مقابله با آن (استفاده از چوک‌ها و فیلترها) می‌پردازیم.

هارمونیک (Harmonics) چیست و چرا اینورترها آن را تولید می‌کنند؟

اینورتر یک بار غیرخطی (Non-linear Load) است. بخش یکسوکننده درایو (رکتیفایر دیودی ۶ پالس)، جریان شبکه را به صورت پیوسته و سینوسی نمی‌کشد، بلکه آن را به شکل پالس‌های مقطعی (نوک‌تیز) دریافت می‌کند. این رفتار باعث اعوجاج و تغییر شکل موج سینوسی کامل شبکه می‌شود. این اعوجاج‌ها که معمولاً مضاربی از فرکانس اصلی هستند (مثل هارمونیک ۵ام = ۲۵۰ هرتز، هارمونیک ۷ام = ۳۵۰ هرتز)، تحت عنوان THDi (اعوجاج هارمونیکی کل جریان) اندازه‌گیری می‌شوند.

• خسارات هارمونیک در کارخانه: گرمایش شدید کابل‌های نول، آسیب به عایق ترانسفورماتورها، ایجاد نویز روی سیستم‌های ابزار دقیق و از بین رفتن دی‌الکتریک خازن‌های تابلو بانک خازنی.

راهکارهای مهندسی برای مهار هارمونیک و نویز

برای حفاظت از درایو و شبکه، شرکت‌های تابلوساز از تجهیزات پسیو (Passive) زیر در ورودی و خروجی درایو استفاده می‌کنند:

۱. چوک ورودی (Line Reactor)

چوک ورودی یک بوبین (سلف) سیم‌پیچی شده است که سری با کابل‌های ورودی اینورتر قرار می‌گیرد.

• وظیفه اول (حفاظت از شبکه): تغییرات ناگهانی جریان را کند می‌کند و باعث می‌شود شکل موج جریانی که درایو از شبکه می‌کشد به سینوسی نزدیک‌تر شود (کاهش THDi تا حدود ۳۵ الی ۴۰ درصد).

• وظیفه دوم (حفاظت از درایو): اگر شبکه برق کارخانه دارای نوسانات شدید یا اسپایک‌های ولتاژ (Voltage Spikes) باشد، چوک ورودی این ضربات را دفع کرده و از انفجار دیودهای ورودی درایو جلوگیری می‌کند.

• نکته طراحی: چوک‌ها معمولاً با امپدانس ۳٪ یا ۵٪ انتخاب می‌شوند (امپدانس ۵٪ برای مهار هارمونیک‌های شدیدتر توصیه می‌شود).

۲. فیلترهای EMC / EMI

چوک ورودی هارمونیک‌های فرکانس پایین را کنترل می‌کند، اما ترانزیستورهای IGBT داخل درایو با سرعت بسیار بالا (چندین کیلوهرتز) سوئیچ می‌کنند و نویزهای فرکانس بالا (Radio Frequency Interference) تولید می‌کنند. فیلتر EMC در ورودی درایو نصب می‌شود تا از انتشار این نویزهای فرکانس بالا روی کابل‌های شبکه جلوگیری کند. بدون فیلتر EMC، ممکن است PLC ها و سنسورهای آنالوگ کارخانه به دلیل نویز دچار خطای خواندن شوند.

۳. چوک خروجی (Load / Motor Reactor)

چوک خروجی بین درایو و الکتروموتور نصب می‌شود.

• دلیل استفاده: وقتی فاصله بین درایو و موتور زیاد باشد (معمولاً بیش از ۵۰ متر)، پدیده‌ای به نام موج بازتابی (Reflected Wave) یا افزایش شدید dv/dt رخ می‌دهد. این پدیده باعث می‌شود ولتاژ در ترمینال‌های موتور تا ۲ برابر افزایش یابد که به سرعت عایق سیم‌پیچ موتور را سوراخ کرده و باعث سوختن آن می‌شود. چوک خروجی این پیک‌های ولتاژی را گرد و نرم می‌کند.

نوآوری برندها در مقابله با هارمونیک

طراحان مدرن، امروزه نیازی به خرید تجهیزات فیلترینگ مجزا در پروژه‌های سطح بالا ندارند:

• ABB و درایوهای Ultra-Low Harmonic (ULH): شرکت ABB درایوهایی نظیر ACS880-31 تولید کرده است که به جای رکتیفایر دیودی، از تکنولوژی Active Front End (AFE) استفاده می‌کنند. این درایوها سطح هارمونیک جریان (THDi) را به کمتر از ۳٪ می‌رسانند (شبکه کاملاً تمیز) و حتی قابلیت تزریق توان (Regeneration) به شبکه در حالت ترمز را دارند.

• زیمنس (Siemens) و اشنایدر (Schneider): در درایوهای توان بالای این برندها (مثل SINAMICS G120 یا Altivar)، چوک‌های DC (DC Link Choke) و فیلترهای EMC به صورت پیش‌فرض درون خود محفظه درایو تعبیه شده‌اند که نیاز به نصب چوک خارجی و اشغال فضای تابلو را به شدت کاهش می‌دهد.

مشاوره و طراحی تخصصی درایو پنل‌ها طراحی تابلوی اینورتر بدون محاسبات هارمونیک، قماری خطرناک با تجهیزات کارخانه است. مهندسین پویاگران صنعت (pscogp) آماده ارائه خدمات آنالیز کیفیت توان، طراحی و ساخت تابلوهای کنترل دور (MCC Panel) مجهز به چوک‌های ورودی/خروجی و فیلترهای استاندارد، و تامین درایوهای اورجینال زیمنس، ABB، اشنایدر و هیوندای با پایین‌ترین سطح آلایندگی شبکه می‌باشند. برای مشاوره تماس بگیرید.