טיוטה:הרמוניות בחשמל

הקדמה לאיכות החשמל

כמו לכל מוצר, גם לחשמל קיימים מדדים של איכות (12 פרמטרים)

יציבות תדר ומתחים, הבהובים (FLICKERׂׂ), אינטר-הרמוניות, איתותים במתח, אסימטריה, הרמוניות בזרם ובמתח, הפסקות חשמל, שיקועים ועליות מתח, תופעות מעבר

זרמים הרמוניים הם טפילים סינוסואידלים של זרם חשמלי מחזורי שרוכבים על מתח הרשת לפי סדרת פורייה. להרמוניות יש תדר מכפל של התדר הבסיסי, בארץ 50 הרץ, ברשתות חשמל.

ההרמוניות הם נזק לתווך ארוך, גוברות עם ההזדקנות של המתקן.

עם הזמן בידוד המוליכים נפגם, לאט לאט התקלות מגיעות.

למה לטפל בהרמוניות ?:

- שיפור אמינות המתקן

- שיפור הביטחון של הציוד

- בטיחות ובריאות המשתמש

- דרישה של הרגולטור

מה הם הנזקים מאיכות חשמל ירוד?

- שיבושים בייצור (4% של המחזור)

- בעיות מיתוג

- הקפאת מחשבים

- אובדן מחשבים וציוד אלקטרוני

- אובדן נתונים

- תקלות ושריפות מנועים

- הבהוב ועמעום תאורה

- הפעלות סרק של הגנות

- קבלים מתפוצצים

- חימום יתר של מוליכים (במיוחד מוליך ה"0") ושנאים

- רעשים והפרעות בציוד תקשורת

- התחשמלות

- נזקים כלכליים

- קרינה

- הרעת מקדם ההספק

- היא דיוק במדידות, כמו לולאת התקלה

- ירידה במהירות מנועים

- שריפות

זרמים הרמוניים נובעים מנוכחות עומסים לא ליניאריים ברשת החשמלית. בשל עכבות הרשת, זרמים הרמוניים אלו הם הגורם להופעת הרמוניות מתח אשר פוגעות ומזיקות ללקוחות של רשת החלוקה.

לזרמים הרמוניים יש תופעות שליליות שונות: הפסדים מוגברים, רעש מוגבר, הפרעות ורעידות במכשירים. למען איכותו הטובה של החשמל, יש להגביל את נוכחותם. יצרני רשתות חשמל מבטיחים אספקת חשמל המכיל מעט הרמוניות, בתמורה, הם מחייבים את לקוחותיהם להגביל את הזרקת הזרמים הרמוניים לרשת. התקנת מסננים, פסיביים או אקטיביים, בחירת חיבור שנאי מתאים כמו גם שימוש באלקטרוניקת הספק המייצרת פחות הרמוניות הם כל הפתרונות להגבלת העיוות ההרמוני של הזרם והמתח החשמלי.

הֶסבֵּר

ברשת חשמל, גנרטורים בתחנות כוח מייצרים מתח סינוסואידלי טהור בתדר של 50 או 60 הרץ, מהצורה :

$u(t)_{\text{ideal}}={\sqrt {2}}\cdot U_{\mathrm {rms} }\cdot \sin(\omega t)$

כאשר עומס ליניארי, למשל נגד, משרן (סליל) או קבל, מחובר לרשת, הוא שואב ממנו זרם סינוסואידלי באותו תדר כמו מתח הרשת למעט שינוי בזווית הפאזה, לפי:

$i(t)_{\text{ideal}}={\sqrt {2}}\cdot I_{\mathrm {rms} }\cdot \sin(\omega t-\phi )$

אם הרשת מזינה רק עומסים ליניאריים, המתח והזרם שלה הם סינוסואידלים לחלוטין. עם זאת, כאשר עומס חשמלי לא ליניארי, למשל מכשיר אלקטרוני, מחובר לרשת, הוא שואב ממנו זרם מחזורי בצורה לא סינוסואידלית. כך נוסחת הזרם הופכת ל :

$i(t)_{\text{periodique}}=I_{0}+\sum _{n=1}^{+\infty }{\sqrt {2}}I_{n}\cdot \sin(n\omega t-\phi _{n})$

I ₀ נקרא רכיב מתמיד, I ₁ נקרא זרם המקור, בתדר המקור, הדרגות n, נקראים סדרות ההרמוניות.

לכן עומסים לא ליניאריים מושכים זרמים לא-סינוסואידלים מהרשת. לעומסים אלה יש עכבה, זרמים אלה בתורם יוצרים מתחים לא-סינוסואידלים, אותם ניתן לתרגם לסדרת פורייה.

$U_{\text{reseau}}=Z_{\text{reseau}}\cdot I_{\text{reseau}}$

$u(t)_{\text{periodique}}=U_{0}\cdot I_{0}+\sum _{n=1}^{+\infty }{\sqrt {2}}U_{n}\cdot \sin(n\omega t-\phi _{n})$

ערכן של ההרמוניות מתמעטות באופן מגמתי עם דרגתן, נהוג לקחת בחשבון רק ארבעים ההרמוניות הראשונות.

מקורות הרמוניות

- כשל ברכיבים חדשים

- שגיאות תכנון

- סביבה קשוחה (טמפרטורה/לחות חריגה)

- תפעול שגוי

- חדירה של גופים זרים (אבק, הצפה, בעלי חיים)

- תקנים לא מיושמים

- עייפות החומר

- עומסים לא ליניאריים

עומסים לא ליניאריים

סמל של מיישר תלת מופעי.

גשר גרץ חד פאזי

מיישרים הם הגורמים העיקרים לזרמים הרמוניים בקווי הרשת. ביניהם גשר גרץ. על מנת להקטין את האדווה מהמיישר, מוסיפים משרן במעגל DC. לזרם הנכנס לצרכן יש צורה של גל מרובע.

מכשירים אלקטרוניים ביתיים, כמו מחשבים, טלוויזיות וכו', מוזנים בזרם חילופין, ונדרש ספק כוח ממותג כדי שיעבדו בDC. הם מהווים את המקור העיקרי להרמוניות ברמה הביתית.

תאורה, (באמצעות גופים פלואורסצנטים ומנורות פריקה ועמעמים, לדים,) היא מקור לא מבוטל של הרמוניות. ברמה התעשייתית, ווסתי מהירות למנועים אינם ליניאריים. תנורי קשת ורתכות הם גורמים נוספים.

ברשתות החשמל, המכשירים שמופעלים בDC הממותגים הם מקור העיקרי להרמוניות. המעגלים המגנטיים של שנאים חשמליים, או מנועים חשמליים, מייצרים גם הרמוניות כאשר הם ברוויה, מה שלא קורה בדרך כלל בעומסים חלקיים או נומינליים.

אם פעם רוב ההפרעות כתוצאה מהרמוניות היו נחלתם של המתקנים התעשייתיים, היום אפשר למדוד שיים חדשים דווקא בזמן שבתון, כאמור מפני שמכשירים הביתיים הם הגורמים העיקריים.

תהודה

קבלים לשיפור מקדם ההספק יכולים להיכנס לתהודה עם הרשת, שהיא ברובה ההשראתית והרמוניות בתדרים הקרובות לתהודה זו מוגברות. ( תהודה מקבילית). משרנים בטור עם אותם קבלים יכולים ליצור תהודה, הפעם טורית

תופעות

מנורות פלואורסצנט הן מיישרים. הזרם שהם צורכים, כאן העקומה הכחולה, מעוות מאוד. שימו לב שגם המתח אינו סינוסואידלי.

הפסדי הספק

להרמוניות יש השפעה של הגדלת הפסדים במתקני חשמל המופעלים על ידי הרשת. הפסדי Joule לא תלויים רק בתדירות הזרם, אלא בסכום הגיאומטרי של ההרמוניות של הזרם :

$P_{\text{Perte joules}}=R\cdot I^{2}=R\cdot \sum _{n=1}^{+\infty }I_{n}^{2}$

מכשירים אלקטרו-מגנטיים רגישים להרמוניות. הפסדי היסטרזיס הם גדלים הם יחסיים לתדירות הזרם, וזרמי מערבולת צמודים לתדר הזרם בריבוע,

לכן ההרמוניות מסדר גבוה מייצרות הפסדים משמעותיים גם אם אמפליטודה שלהם נמוכה .

הפסדים אלה גורמים בתורם להתחממות יתר במכשירים חשמליים, ולכן תוחלת החיים שלהם מופחתת. (כל חריגה של 10 מעלות מעל נתוני יצרן מקצרת את חיי המוצר ב-50%!)

רעשים

מכיוון שרעש ממכשירים חשמליים נובע גם ממגנטוסטירציה, ( היצרות מגנטית היא תכונה של חומרים מגנטיים שמשנים את צורתם בתגובה לשדה מגנטי), הרמוניות תורמות משמעותית לרעש.

כוח אלקטרו-מניעה נגדי

במנוע חשמלי גדול, ההרמוניה החמישית מייצרת כוח אלקטרו-מניע נגדי שמאט את הסיבובי המנוע וגורם לרעידות

ירידה בגורם ההספק

ברשת סינוס אידיאלית, גורם ההספק שווה ל $\cos(\phi )$,אך הרמוניות מחייבות לתקן גורם זה. מקדם ההספק הכולל, שצוין PF שווה ל -, :

$PF=\cos(\phi )\cdot {\frac {1}{\sqrt {1+THD^{2}}}}$

עם THD

(Total harmonic distortion) העיוות ההרמוני הכולל, המתואר להלן.

הפרעות ושיבוש של מכשירי מדידה ותקשורת

מכשירי מדידה המבוססים על זיהוי של חציית אפס של זרם או מתח יכולים לראות את פעולתם מופרעת על ידי הרמוניות.

הרמוניות הקיימות ברשת החשמל יכולות להשרות זרמים בקווי טלפון או בקווי תקשורת אחרים. אם התדרים של ההרמוניות קרובים לאלו של האות המועבר על ידי קו זה, האחרון מזוהם, מה שעלול להשפיע על איכות התקשורת המשודרת.

פילטרים דיגיטליים יודעים להפחית תופעות אלה במערכות ספרתיות

הרמוניות מיוחדות

הרמוניות בכפולות זוגיות

בדרך כלל, עומסי הרשת הם סימטריים, כלומר הם מתנהגים אותו הדבר בשני האמפליטודות. בתנאים אלה, התיאוריה של סדרת פורייה קובעת שההרמוניות של סדר 2 מתבטלות. הרמוניות 2 הן למעשה די נפוצות ברשתות, ולרוב זניחות

הרמונית בכפולת דרגה של שלוש

בהנחה ששלושת הפאזות מאוזנות, להרמוניות מדרג 3 יש את המיוחדות שסכום שלושת המופעים אינו מבטל זה את זה, במילים אחרות הם יוצרים זרם לא מבוטל באפס :כלל: אין להקטין שטח החתך של מוליך האפס מתחת לשטח החתך של מוליכי הפאזות

$\Sigma I_{\text{3e harmonique}}=I_{U,3e}+I_{V,3e}+I_{W,3e}=I_{3}\sin(3\cdot \omega \cdot t-\phi _{3})+I_{3}\sin \left(3\left(\omega \cdot t-{\frac {2\cdot \pi }{3}}\right)-\phi _{3}\right)+I_{3}\sin \left(3\left(\omega \cdot t-{\frac {4\cdot \pi }{3}}\right)-\phi _{3}\right)$

$=3\cdot I_{3}\sin(3\cdot \omega \cdot t-\phi _{3})$

ההרמוניה השלישית עוברת דרך מוליכי האפס של השנאים החשמליים של הרשת המחוברת בכוכב. לכן יש להתאים את החיבור מוליך האפס למוליכי הפס למופעים,

אבל אין זרם הרמוני בדרגה 3 שנכנס או יוצא משנאי המחובר בדלתא.

אינטר-הרמוניות

ממירים המורכבים ממישר, מעגל ביניים DC וממיר יכולים לגרום לאינטר-הרמוניות

המושג אינטר-הרמוני מתייחס להרמוניות שהם לא כפולות של תדר המקור. אכן, ממיר הפועל בתדר נומינלי שונה מהתדר הנומינלי של הרשת, ההרמוניות שהוא מייצר אינן כפולות של האחרון. במקרה של מכשיר המורכב ממיישר, מעגל ביניים DC וממיר, רכיב הביניים אמור לבודד את הממיר מהמיישר. בפועל, ההרמוניות המגיעות מהמהפך מתווספות לזו של המיישר או מופחתות ממנה, ומכאן נוצרות אינטר-הרמוניות. הם נמצאים למשל בתנורי קשת, אבל הם יכולים להיווצר גם על ידי מערכות אלקטרוניות הספק כמו SVC לשיפור מקדם ההספק וה - cycloconverter, ממירי תדר האב הקדמון של ממירי המטריצה של ימינו.

סממן טוב לעיוותים הרמוניים הכוללים גם אינטר - הרמוניות הוא יחס העיוות הכולל (TDR).

כימות

מקובל גם לבטא הרמוניות כאחוז מתדר הרשת (היסוד). אנו מדברים על יחס פרטניי עבור ההרמוניה של דרגה k, הוא מחושב באופן הבא :

$100\cdot {\frac {U_{k}}{U_{1}}}$

נהוג לייצג את התוצאה בצורה של היסטוגרמה, כאשר כל פס מציין את הקצב האישי של דרגה, הנקראת הספקטרום ההרמוני.

עיוות הרמוני כולל THD

העיוות ההרמוני הכולל משמש לכימות ההרמוניות הקיימות במתח או בזרם. מתורגם לאנגלית total harmonic distortion, הוא מקוצר כ-THD. עבור המתחים, שווה :

$\mathrm {THD} ={\frac {\sqrt {\sum _{n=2}^{+\infty }U_{n}^{2}}}{U_{1}}}$

בגלל ההשפעות המזיקות שלה, יש להימנע מהרמוניות. ספקי אנרגיה חשמלית מחויבים לאיכות ההספק החשמלי המסופק ללקוחותיהם התעשייתיים. הם מבטיחים שיעור עיוות הרמוני מרבי של מתח, למשל 2%. תקני IEC 61000 ו-IEEE 519 קובעים את המגבלות שיש לכבד

עיוות יחסי לעומס TDD

זהו המדד החשוב ויש לבדוק אותו כי הוא מתייחס לזרמים הנמדדים וגורמים להרמוניות

TDD = I1 X THDi /Imax.demand

לסיכום: עיוותי המתח

THD עד 5%, TDD עד 8%

ערכים מרביים

מגבלת מתח

בגלל ההשפעות המזיקות שלה, יש להימנע מהרמוניות. ספקי אנרגיה חשמלית מחויבים לאיכות ההספק החשמלי המסופק ללקוחותיהם התעשייתיים. הם מבטיחים שיעור עיוות הרמוני מרבי של מתח, למשל 2%. תקני IEC 61000 ו-IEEE 519 קובעים את המגבלות שיש לכבד.

מגבלה בזרם הרמוניים

במקרים מסוימים, ספק החשמל יכול להטיל רמות מקסימליות של זרמים הרמוניים שנוצרו על ידי לקוחותיו . רמות אלו מתבטאות לרוב כאחוז מהרמה הבסיסית.

(7 אפשרויות)

סינון פסיבי: 6 אפשרויות

- 1: משנק טורי בDC ואם אפשר גם בAC

- 2: ווסתי מהירות 12/18פולסים

- 3: ווסת מהירות ללא הרמוניות AFE

- 4: שנאי להזזת פאזה

- 5: הוספת משנק בטור לקבלים

- 6: פילטר CAUER

מטרת הסינון היא להוריד את העכבה ההרמונית של הרשת באמצעות מסננים המכוונים לתדרים של ההרמוניות שנוצרות על ידי מקור הזיהום.

מסננים אנטי-הרמוניים מותקנים בדרך כלל במתח גבוה, ויכולים לתרום גם לקיזוז האנרגיה ריאקטיבית. הם מורכבים מסט של קבלים וסלילים משולבים, כך שתדר התהודה של הרכב זה מכוון לזה של הדרגות ההרמוניות שנוצרות.

בדרך כלל, הרמוניות מסדר שלישי מסוננים על ידי הרשת ( שנאים ) ואינן דורשות סינון ספציפי. אבל לעיתים קרובות נצטרך לספק מסנן המכוון לדרגה 5.

ניתן לסנן הרמוניות בסדר 3 על ידי הצבת פילטר בין האפס של השנאים לאדמה.

(7: מסנן אקטיבי דוגמת SCHAFFNER)

הפילטר האקטיבי מאפשר לנטרל את ההשפעה של הפרעה על ידי הזרקת אות שווה להפרעה אך ממופע הפוך. לפיכך השניים מבטלים זה את זה. מסננים אקטיביים משמשים לעיתים קרובות בנוסף למסננים פסיביים.

זהו פתרון יקר מאוד אשר ישים רק במתח נמוך, עבור מתקנים תעשייתיים בהספק נמוך. יתר על כן, מסננים פעילים צורכים הספק חשמלי מה שמפחית את הרווח המושג על ידי ביטול ההפסדים.

חיבור שנאים

ממירי HVDC משתמשים בשינוי הפאזה של 30° בין שנאי כוכב-כוכב של גשר המתח הגבוה לבין שנאי הכוכב-דלתא של גשר המתח הנמוך כדי לדכא הרמוניות מסוימות

פתרון לביטול הרמוניות מסדר כפול 3 הוא שימוש בחיבורי כוכב-דלתא.

השימוש בשנאי המחובר בכוכב-כוכב במקביל לאחר המחובר בכוכב-משולש (ראה תמונה ממול) מאפשר לבטל הרמוניות בסדר 5 ו-7. כך אנו מקבלים מרכב של פעימה שתים עשרה.

בחירת חיבור השנאים

מסננים וחיבורי שנאי מאפשרים להגביל הרמוניות בדיעבד. פתרון מלכתחילה הוא לבחור בציוד אלקטרוניקת הספק המייצר פחות הרמוניות. אלה מתוארים לעיתים קרובות לפי מספר הפעימות שלהם, אשר מצוין כאן q, במקרה זה המכלולים הללו מייצרים הרמוניות של סדר $h=k\cdot q\pm 1$ כאשר k הוא מספר שלם. השימוש באפנון יעיל, כמו אפנון רוחב הדופק, מאפשר גם להפחית את רמת ההרמוניות.

השוואה בין שיטות טיפול בהרמוניות:

תכונה	אקטיבי	פסיבי טורי	פסיבי מקבילי
שיטת סינון	הזרקת זרם נגדי	רחב סרט ל"0"	מסנן רחב סרט ל"0"
אופן סינון	כלפי הרשת בלבד	חוצץ בין הרשת לעומס + מלכודת להרמונייות מהעומס ל"0"	מלכודת להרמוניות לכיוון "0" מכל כיוון
אופן חיבור	מקבילי	טורי	מקבילי
הפסדים	2.3-3.5 % מהזרם המסונן	0.6% מהעומס	0.6% מהעומס
ממדים	קטן-בינוני	גדול	בינוני
מחיר	בינוני-גבוה	בינוני	בינוני-גבוה
סוג עומס	כל עומס	ווסתי מהירות ומיישרים	הרמוניות בודדות
תכונות נוספות	תיקון מקדם הספק דו-כיווני ואיזון זרמים		העלאת (ייצוב) מתח
מגבלות	משנק לכל עומס\ווסת\ מיישר\קבל	מקום, עליית מתח בריקם, טורי	מקום, נדרש מקדם הספק נמוך
רמת סינון	THD עד 5%	IEEE519	עד חצי כל ההרמוניות
העמסת יתר	אין	אין	יש
תופעות מעבר	יש	אין	אין
סכנת תהודה	יש	אין	אין
כיוון והגדרות	מורכב (מהנדס)	לא נדרש	פשוט
תחזוקה		חיזוק ברגים	חיזוק ברגים
אמינות	תלוי ביצרן, שנה עד שנתיים אחריות, תקלה לא משביתה את המתקן	גבוה, תקלה בקבל מפחיתה ביצועים, תקלה במשנק משיבתה את המתקן	בינונית-גבוהה, עד 3 שנים אחריות, תקלה משביתה רק הסינון, מאפשר המשך עבודה

נספחים

מאמרים קשורים

• רשת חשמלית ~ זרם חילופין
• מטען חשמלי לא ליניארי

מקורות והפניות

מקורות

Schneider Electric

CEI 610000

הפניות

אינג' וסקיפר אמיר ברושי, ישראל ומחוצה לה

קלוד זמור,"בדיקת חשמל, צורך או מותרות? " ינואר 2015, הוצאת עם לומד

הערות שוליים

קטגוריה:הנדסת חשמל