عدم تعادل ولتاژی و اثرات آن بر موتورهای الکتریکی
تاثیر مخرب آن بر موتورهای القایی و یکسوسازها
بازدهی و راندمان مکانیزم های صنعتی نوین، وابسته به کارایی مدارهای کنترل الکترونیکی این سیستم ها است. ضمناَ بروشنی می توان درک کرد که کارایی و کارآمدی و بازدهی تجهیزات ابزاردقیق، سنسورها، رله ها، بازوهای متحرک و البته موتورهای الکتریکی همگی از کیفیت منابع تغذیه خود متاثر می گردند.
خطاها و اشکالاتی که در سیستم های کنترلی و الکتروموتوری در صنعت رخ می دهد که بار و شرایط کارکرد آن دخالتی در ایجاد آن خطا ها ندارند از آنجمله می توان به درایوهای سرعت متغیری ( VSD ) که خطا می دهند، کنترل کنننده های منطقی ای ( PLC ) که ناگهان فرامین نادرست را محاسبه و یا دستور می دهند، موتورهای الکتریکی که بیش دما گشته اند و سنسورهایی که سیگنال های اشتباه ارسال می کنند را اشاره کرد که تمامی آنها می تواند موجب ایست، توقف و از کار افتادن پروسه های صنعتی متعددی گردند.
نتیجه چنین اشکالاتی در تاخیر در راه اندازی مجدد، توقف تولید، ایجاد نارضایتی در مشتریان، تحمیل هزینه های اجباری و افزایش هزینه های تجاری دیده می شود.
دلایل عدم تعادل ولتاژی
تمامی شبکه های الکتریکی از نوسانات فازی و فرکانسی رنج می برند که این ثمره ” کیفیت توان” آنهاست.
افت ولتاژهای ناگهانی و افزایش پرش گونه ولتاژ هرچند رویدادهایی معمول در شبکه هستند که بی نظمی ولتاژی را به نمایش می گذارند اما این تاثیرات می توانند برای مدت طولانی و یا حتی ماندگار در شبکه دیده شوند.
عدم تعادل ولتاژی عموما توسط خطاهای ایجاد شده در شبکه، امپدانس غیر یکسان ترانسفورماتورها و یا وجود بار زیاد بر روی یک فاز از سه فاز شبکه ایجاد می شود. عدم نصب مساوی مصرف کننده های تک فاز که توسط کاربران در مدار شبکه های سه فاز قرار می گیرند از عمومی ترین عوامل ایجاد عدم تعادل ولتاژی در سیستم می باشد.
موتورهای تک فاز، وسایل گرمایش و سرمایش تک فاز نیز از عمده تجهیزاتی هستند که باعث جریان کشی بیشتر یک فاز از دو فاز دیگر می شوند و در این حالت ولتاژ خط به نول یکی از فازها نسبت به دو فاز دیگر پایین تر می گردد.
مشابه این امر هنگامی رخ می دهد که تجهیزات بیشتری بر روی دوتا از فازها نسبت به تک فاز دیگر نصب شده باشد که در اینصورت ولتاژ نول به خط آن فاز از دو فاز دیگر بالاتر خواهد رفت.
در هر دو صورت ، ولتاژ خط به خط نیز متاثر و نامتعائل خواهد شد.
در این مقاله به صورت ساده فقط به تاثیرات بیش ولتاژی و کم ولتاژی بر روی موتورها و یکسوسازها و اثرات متقابل آنها بر یکدیگر می پردازیم.
ولتاژ نا متعادل و موتورهای القایی
تاثیرات ولتاژ نامتعادل بر روی موتورهای القایی به صورت گسترده ای برای بسیاری از تکنسین ها و مهندسین صنایع شناخته شده است. ولتاژ نا متعادل تاثیرات منفی بر گشتاور و سرعت دارد و ممکن است حتی بر روی صدای شنیده شده از موتور نیز بیافزاید. عدم تعادل ولتاژی می تواند باعث افزایش در جریان سیم پیچ ها به صورت غیر یکسان و سپس افزایش دمای کارکرد موتور گردد که این مقدار عددی افزایش دما بسیار بیشتر از مقدار عددی درصد ولتاژ نا متقارنی است که بر موتور اثر می گذارد. و البته ما می توانیم میزان افزایش دما در سیم پیچ های موتور القایی ناشی از این عدم تعادل ولتاژی را محاسبه کنیم.
عدم تعادل ولتاژی در سیستم های سه فاز می تواند با یک عدد بر حسب درصد بیان شود. بمانند شکل یک می تواند کم ولتاژی و یا بیش ولتاژی وجود داشته باشد.
در این شکل یک ولتاژ روی یک خط و ولتاژ پایین تر در خط دیگر برای ترانسفورماتورهای MV و یا HV با مرجع قراردادن ولتاژ سوم مشخص شده است. در ثانویه فشار ضعیف ( LV ) نه فقط ولتاژ خط به نول دو فاز به صورت واضحی با ۱۰% بالاتر یا پایین تر است بلکه اندازه گیری ولتاژ خط به خط نیز تغییر نسبت به مرجع را نشان می دهد اندازه گیری بردارهای خط به خط ( خطوط نقطه چین ) تغییرات ولتاژ از مقدار مشخص شده را نشان می دهد.
شکل شماره یک
برای محاسبه عدم تعادل سیستم و مقدار دمای افزوده متاثراز آن بر سیم پیچ ها، از فرمول زیر استفاده می گردد:
جدول شماره یک
جدول شماره دو ، حاصل عددی فرمول بالا را نشان می دهد که در آن افزایش دمای سیم پیچ ها در ازای میزان عدم تعادل ولتاژی متناظر ارایه گشته است . عدم تعادل ولتاژی بیش تر از ۲% بعلت افزایش دمای سیم پیچ ها که می تواند از محدوده شاخصه های ساختاری موتور خارج گردد ، غیر قابل قبول است و عمر موتور را کاهش می دهد.
جدول شماره ۲
استاندارد IEC عدم تعادل بیش از ۵% را منع کرده است و مطالعات نشان داده است که به ازای هر ۱۰ درجه سانتیگراد افزایش دما از دمای نامی موتور ، عمر عایق موتور نصف می گردد.
موتورهای القایی باید مطابق با نمودار شماره ۳ دوباره منطبق سازی گردند.
نمودار شماره ۳
اشکال فقط افزایش دمای کارکرد موتور حاصل از عدم تعادل ولتاژی نیست که وجود دارد بلکه افزایش جریان کشی بدون افزایش توان خروجی نیز اتفاق می افتد، لذا فشار بیش از اندازه بر کابل های تغذیه و احتمال اعلام خطای رله های بیش جریانی ( Over Load ) و درایوهای کنترل فرکانسی در حین کار نیز بالا می رود.
دیودهای بخش یکسوساز درایوها، خازن های بخش دی سی لینک و یکسوسازهای منابع تغذیه همگی دچار فشار دمایی اضافه ای می گردند که حاصل از افزایش جریان AC بعلت عدم تعادل ولتاژی است. هارمونیک های مرتبه ۳ نیز می توانند بعنوان تولید کننده فشار بر دیودهای یکسوساز نیز برشمرده گردند.
عدم تعادل ولتاژی و یکسوسازها
می دانیم که هر تجهیز الکترونیکی که AC را به DC تبدیل کند دارای یکسوساز می باشد بمانند کامپیوترها، PLCها، UPSها و درایوهای سرعت متغییر. یکسوسازها بارهای غیر خطی محسوب می گردند چراکه شکل موج جریان خروجی با شکل موج ولتاژ ورودی بصورت خطی تغییر نمی کند.
شکل شماره چهار
جریان خط نشان داده شده از تک فاز یکسوساز سه فاز
دیودها در یکسوسازهای پایه با مثبت شدن ولتاژ عمل سوئیچ را انجام می دهند. درمیانه هر نیم سیکل دو تا از فازها یکی در حال کاهش و دیگری در حال افزایش ولتاژی می باشند که حاصل آن در نمودار جریانی یکسوساز با دو پیک در هر نیم سیکل دیده می شود.
هنگامیکه این دویودهای یکسوسازها بدرستی و در ولتاژ متعادل کار می کنند، شکل موج جریان متناوب تغذیه با دو پالس در هر نیم سیکل مطابق با شکل ۴ دیده می شود. لازم است که بداینم مساحت زیر منحنی توان موثر مورد نیاز بار می باشد که به واحد وات اندازه گیری می گردد.
متاسفانه عدم تعادل ولتاژی در منبع تغذیه عاملی است بر هم پوشانی این دیودها در هنگام به مدار آمدن آنها، توضیح اینکه به علت اندوکتانس منبع تغذیه، جریان یکسوسازها نمی تواند از یک دیود به دیود دیگر بصورت آنی و لحظه ای منتقل و یا تغییر جهت دهد لذا به زمانی مناسب برای به مدار آمدن احتیاج است و البته علاوه براین می دانیم که یکسوسازها با مدهای اتصال دیودی متفاوتی ارایه می گردند که وابسته به تعداد دیودهایی است که همزمان در مدار فعال می شوند، در چنین شرایطی عدم تعادل ولتاژی عاملی است بر هم پوشانی فوق الذکر در دیودها که این هم پوشانی بوسیله میزان زمان مصرف شده برای تکمیل فرآیند یکسوسازی مشخص می گردد. چنین هم پوشانی از عواملی است که شکل موج دو قله یکسان ( پالس یکسان ) در هر نیم سیکل را تغییر می دهد.
شکل شماره ۵
جریان خط با ۵% عدم تعادل
شکل موج جریان ارایه شده در شکل ۵ حاصل منبع تغذیه با میزان عدم تعادل ولتاژی ۵% می باشد؛ شکل موج جریان خط بسیار شبیه به یک پالس تک با زمان راه دهی طولانی تر است این بدین معناست که دیودها بیشتر فعال ( on ) می مانند که به عبور جریان بیشتر از آنها منجرب می شود. از آنجا که مقدار توان حاصل از مساحت زیر نمودار ۵ باید به مقدار برابر با نمودار ۴ باشد ، یعنی هم ارز با مقدار نیاز بار تامین گردد لذا پیک جریانی خط AC ( قله ایجاد شده در هر نیم سیکل ) بزرگتر ( بلند تر ) از نمودار ۴ می گردد چراکه در نمودار ۴ در حالت تعادل ولتاژی دیده می شود و در نمودار ۵ عدم تعادل ولتاژیوجود داشته است.
شکل شماره ۶
جریان خط وقتی یک فاز از یکسوساز بعلت عدم تعادل ولتاژی اصلا در مدار نیاید.
با نا تعادلی بیشتر ولتاژی در منبع تغذیه شکل موج جریانی خط به شکل ۶ با یک تک پالس جریانی شباهت پیدا می کند و البته به منوال قبل می دانیم که برای مقدار وات ( توان ) یکسان مورد نیاز به میزان پیک بزرگتر ( بلند تر ) اما در زمان کوتاه تر نیاز است.
نتیجه اینکه جریان خط با افزایش میزان عدم تعادل ولتاژی بیشتر می گردد.
افزایش جریان خط و عبور آن از خازن های یکسوساز باعث افزایش فشار بر روی این المان ها می گردد، گرمای بیشتری تولید می شود که دلیل افزایش زمان سوئیچینگ بار شناخته می شود. ( مدت زمان راه دهی دیود بیش از زمانی است که ولتاژ متعادل – بالانس – می باشد.)
ریپل روی خط منبع تغذیه ناشی از فرکانس سئویچینگ بالا پدید می آید که عاملی است بر ایجاد هارمونیک های مضرب ۳٫
بسیاری از درایوهای سرعت متغییر در صنعت از مدار یکسوساز ” مدولاسیون پهنای بالس ” PWM در ورودی خود استفاده می کنند ( این موضوع به ورودی درایو و بخش یکسوساز اشاره می کند و با PWM در بخش خروجی درایو یا اینورتر اشتباه نشود ) این نوع یکسوساز ها با یک منبع ولتاژ غیر متعادل باعث افزایش جریان خط می گردند یعنی یک ریپل با فرکانس ۱۰۰Hz بر روی DC باس ایجاد می کنند و در نتیجه افزایش توان راکتیو ( KVAR ) را در پی خواهند داشت.
این پدیده می تواند باعث تریپ درایو بعلت بیش جریانی ( Overload ) و یا کم ولتاژی ( Under Voltage ) بر روی DC باس گردد. عموما برای تکنسین ها و مصرف کنندگان پیدا کردن دلیل تریپ بسیار مشکل است در حالیکه بار متصل به موتور و یا خود موتور خطا و اشکال ناگهانی را نشان نداده اند. ( در واقع پدیده جریان کشی فوق الذکر بعلت شرایط بار نیست بلکه ناشی از عدم تعادل ولتاژی منبع تغذیه درایو است. )
اصلاح عدم تعادل ولتاژی منبع تغذیه
داشتن منبع ولتاژ کاملاَ متعادل در صنایع تقریبا امری غیر وافعی است، چراکه بارهای تک فاز و منابع سوئیچینگ از جمله موارد معمولی هستند که سیستم تامین توان را همیشه با درصدی از اعوجاج مواجه می کنند که با اختلالات شبکه و اتصال و تخلیه های گهگاهی نیز آلوده تر هم می گردند.
شرکت های مختلفی با ارایه دستگاه های اصلاح کننده و متعادل ساز ولتاژ با دقت ۱%-/+ با سرعت پاسخگویی ۲۰ میلی ثانیه و در بازه ۲۰%-/+ ولتاژ نامی فعال می باشند که به صنعت جهت حفظ و طول عمر تجهیزات و کاهش گرمای حاصل از عدم تعادل ولتاژی کمک می کنند.
شکل شماره ۷
ساختار یک نمونه از این دستگاه را می توانید در شکل زیر مشاهده نمایید:
شکل شماره ۸
در این ساختار یک ترانس تزریق کننده ( متعادل کننده ) بصورت سری ما بین بار و منبع تغذیه قرار می گیرد و دو عدد کاورتر ( مبدل ) که در مسیر جریانی مستقیم بار قرار ندارند با افزودن ویا کم کردن ولتاژ به ترانس متعادل کننده ، ولتاژ خروجی را تنظیم و هرگونه کاهش و افزایش ناگهانی و یا مدت دار ولتاژ ورودی را خنتثی می کنند.
اگر ولتاژ دریافتی از تامین کننده متعادل باشد سیستم متعادل ساز عملکردی برای اصلاح را انجام نمی دهد:
شکل شماره ۹
اگر ولتاژ دریافتی از تامین کننده دارای افت ولتاژ باشد سیستم فقط در همان سیکل دارای افت ، ولتاژ تزریق می کند:
شکل شماره ۱۰
اگر ولتاژ تامین کننده دارای افزوده ولتاژی باشد، آن مقدار توسط سیستم متعادل ساز اصلاح می گردد:
شکل شماره ۱۱
البته درصورت بروز اشکال در سیستم متعادل ساز، کنتاکتور بای پس عمل کرده و منبع تغذیه را مستقیم به بار متصل می کند.
شکل شماره ۱۲
با توجه به توضیحات بالا، صنایع برای کم نمودن هزینه های برق مصرفی، افزایش طول عمر تجهیزات، کاهش خطاها و ایست های ناخواسته در تولید و نیز ارتقاء راندمان سیستم های الکترونیکی و الکتریکی خود نیاز به دقت در متعادل سازی ولتاژی دارند که عموماَ بجای حل اساسی مشکل سیاست ترجیحی به سوی افزایش ظرفیت و قدرت و توان تجهیزات و یا بکار گیری انواع فیلترها برای کاهش اثرات عدم تعادل ولتاژی را ارایه می دهند و البته بهتر است که با بررسی علل و عوامل ایجاد کننده عدم تعادل ولتازی نسبت به اصلاح ساختاری ویا نصب تجهیزات متعادل ساز در مبادی ورودی برق ، مشکل را از ریشه حل کنند.
هانی ادیب آزاد
مدیر فنی شرکت ویستا جم صنعت
تیرماه ۱۳۹۷