کیفیت توان چیست؟

کیفیت توان یکی از اصطلاحات رایج در صنعت برق به شمار می رود. می توان آن را مفهومی اساسی برای انواع اختلال هایی که در سیستم قدرت ایجاد می شوند به کار برد. این اختلال ها لزوماً جدید نیستند. مسئله تازه در این باره این است که متخصصان سعی می کنند به جای این که مثل گذشته به شکل جداگانه مشکلات برق را مدیریت کنند، با آن به شکل سیستماتیک برخورد می کنند. این اختلال ها دامنه گسترده ای دارند که شامل ولتاژ، جریان و فرکانس می شود. می توان برای حل مشکلات پیچیده در سیستم قدرت از این طریق اقدام کرد. ضمن این که می توان کارکرد سیستم برقی و بارها را نیز با کمک آن افزایش داد.

به صورت ساده اگر مجموعه شما عاری از هرگونه اختلالات شبکه برق باشد، می توانید در نظر بگیرید که توان دریافتی شما از شبکه برق با کیفیت است. خطا ها و اختلالات شبکه برق طیف گسترده ای از مشکلات هستند و بر طرف کردن آن ها منجر به مفهومی اساسی در صنعت برق تحت عنوان کیفیت توان خواهد شد.

تعریفی از کیفیت توان

کیفیت توان به طور کل به عنوان یک معیار به کار می رود. با استفاده از آن می توان متوجه شد که یک سیستم چه مقدار از کارکرد مورد اعتماد بارهای خود حمایت به عمل می آورد. این سیستم به طور حتم در حین کار با اختلال هایی مواجه خواهد شد که می توانند در برق مصرف کننده یا بار آن و همچنین شبکه برق به وجود بیایند. اشاره شد که این اختلال ها شامل ولتاژ، جریان و فرکانس می شوند و بیشتر این ولتاژ است که در آن اختلال ایجاد می شود.

دلیل اصلی این است که منبع تغذیه تنها از پس کنترل ولتاژ بر می آید و نمی تواند کنترلی بر بارهای خاص داشته باشد. استانداردهایی که برای توان در نظر گرفته شده اند بر حفظ ولتاژ منبع تغذیه در محدوده مشخص متمرکز هستند. میان ولتاژ و جریان رابطه نزدیکی دیده می شود. شاید ژنراتورها ولتاژ موج سینوسی کاملی را عرضه نکنند، جریان گذری از امپدانس سیستم می تواند موجب برزو اختلال های گوناگونی در ولتاژ شود.

کیفیت توان برق به وضعیت و صحت تامین توان برق در شبکه برق اشاره دارد. این شامل ویژگی‌هایی مانند ولتاژ و جریان پایدار، فرکانس ثابت، عدم وجود نوسانات و هارمونیک‌های غیرمجاز، عدم تعادل ولتاژ، عدم افت و خروج توان، کاهش تلفات انرژی و عدم وجود اختلالات الکترومغناطیسی است. بهبود کیفیت توان برق می‌تواند به عملکرد بهتر سیستم برق، کاهش خرابی تجهیزات، کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و افزایش رضایت مشترکین منجر شود.

جریانی که از اتصال کوتاه به وجود می آید می تواند منجر به پایین آمدن کامل ولتاژ شود. جریان های صاعقه ای در هنگام عبور از سیستم قدرت موجب به وجود آمدن ولتاژ ضربه ای می شوند که می توانند به پدیده های اتصال کوتاه منجر شوند. ولتاژ پدیده پر اهمیتی است که نباید به آن بی توجه بود، ضمن این که باید به مسائل جریان هم توجه کرد.

عوامل مؤثر بر کیفیت توان

کیفیت توان تحت تأثیر عامل گوناگونی قرار دارد. به طور خلاصه می توان گفت که هیچ منبع برقی به شکل ایده آل کار نمی کند و امکان انحراف آن به هر علتی وجود دارد. با بالا رفتن مقدار انحراف کیفیت برق کمتر می شود. مشکلاتی که در کیفیت ایجاد می شود دلایل مختلفی دارد که بعضی از آنها نتیجه زیرساخت های مشترک به شمار می روند.
به عنوان نمونه ایجاد یک خطا در شبکه ممکن است موجب افت شبکه شود که این مسئله می تواند بر بقیه مشترکان نیز اثرگذار باشد. با بالاتر رفتن سطح خطا تعداد مرکزهایی که با این مشکل درگیر می شوند بیشتر خواهد شد. مشکلاتی مثل هارمونیک هم در محل مورد استفاده قرار می گیرند که عامل آنها می تواند خود مصرف کننده باشد و بر همه مشترکان تأثیر دارد. شکل امواج، فرکانس و ولتاژ سه عامل مهم هستند.

• نوسانات و هارمونیک‌ها: نوسانات و هارمونیک‌ها می‌توانند کیفیت توان برق را تحت تأثیر قرار داده و باعث ایجاد مشکلاتی مانند افت و خروج توان، افزایش تلفات انرژی و خرابی تجهیزات شوند.

• عدم تعادل ولتاژ: عدم تعادل ولتاژ در سیستم برق می‌تواند باعث افزایش جریان‌های نامتعادل در شبکه شود و کیفیت توان برق را تحت تأثیر قرار دهد.

• نوسانات فرکانس: نوسانات فرکانس می‌توانند باعث اختلال در عملکرد تجهیزات الکترونیکی شوند و کیفیت توان برق را کاهش دهند.

• افت و خروج توان: افت و خروج توان در سیستم برق می‌تواند باعث کاهش ولتاژ و جریان در شبکه شود و کیفیت توان برق را تحت تأثیر قرار دهد.

• تلفات انرژی: تلفات انرژی در سیستم برق می‌توانند باعث کاهش کارایی و عملکرد شبکه شوند و کیفیت توان برق را کاهش دهند.

• اختلالات الکترومغناطیسی: اختلالات الکترومغناطیسی مانند نویزهای الکتریکی و مغناطیسی می‌توانند باعث اختلال در عملکرد تجهیزات الکترونیکی شوند و کیفیت توان برق را تحت تأثیر قرار دهند.

استانداردهای کیفیت توان

کیفیت توان استانداردهایی هم دارد. به صورت معمول، ولتاژها و جریان ها باید در همه قسمت های سینوسی با فرکانس ثابت، میزان ثابت و بدون تغییرات لحظه ای باشند. ایجاد چنین موقعیتی به سرمایه زیادی نیاز دارد. به همین دلیل هم شرکت های استاندارد بین المللی تلاش کرده اند تا بتوانند به یک تعریف مشترک در این باره دست پیدا کنند. استاندارد مشخصات و خصوصیات انرژی الکتریکی را وزارت نیرو مدون کرده است.
در استاندارد IEEE کیفیت به شکل مفهوم خودش تعریف می شود؛ توان دهی و اتصال زمین وسایل حساس به طوری که برای عملکرد آن وسایل مناسب به نظر برسد. استاندارد کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) هم آن را جمعی از پارامترها می داند. در این استاندارد، مشخصات منبع تغذیه ارسال شده به مصرف کننده در موقعیت عملیاتی معمولی از نظر تداوم تغذیه و مشخصات ولتاژ معین می شود.

ارزیابی کیفیت توان

کیفیت توان به شکل منظم و سیستماتیک مورد ارزیابی قرار نمی گیرد. شیوه های ارزیابی در موقعیت های ویژه و برای به دست آوردن اطمینان از این مسئله است که ولتاژ سینوسی مشخصات معین را برای سطوح اعوجاج دارد. رسیدن به یک راه حل برای بقیه سیستم می تواند اثرگذاری لازم را داشته باشد. انتخاب راه حل می تواند ساده نباشد هم از نظر هزینه های کلی سالانه و هم از نظر نتیجه ای که از کارکرد به دست می آید.

اهمیت مطالعه کیفیت توان

کیفیت توان و مطالعه در این زمینه این روزها توصیه می شود. پیشرفت هایی که در فناوری به وجود آمده اند بالا رفتن نفوذ بارهای غیر خطی در سیستم های قدرت را به دنبال داشته اند. رایانه هایی که در کسب و کارها مورد استفاده قرار می گیرند و مبدل هایی که در صنعت به کار می روند از جمله بارهای غیر خطی محسوب می شوند. حتی در مناطق مسکونی برای بسیاری از تهویه مطبوع ها از تنظیم اینورتر استفاده می شود. این وسایل منابع انتشار هارمونیک به شمار می روند که باید آنها را اقدام های اصلاحی شناخت و مورد مطالعه قرار داد و در نهایت درست کرد. به این ترتیب است که در هزینه های مصرف برق صرفه جویی می شود و استانداردهای برق شهری به خوبی رعایت می شوند.
پایین آمدن کیفیت توان عواقب بسیاری را در پی دارد که از آن جمله می توان به پایین آمدن سرعت تولید، بالا رفتن مصرف انرژی و هزینه های مصرف انرژی غیر فعال، توقف تولید، خراب شدن یا کاهش طول عمر تجهیزات اشاره کرد. ضمن این که ممکن است برخی از کارکنان در اثر این اختلال ها بیکار شوند و بسیاری از داده ها از دست بروند. می توان مهم ترین دلیل پرداخت به این مورد را مسائل اقتصادی و مالی دانست.

روش های بهبود کیفیت توان

شرکت‌ توزیع شامل ایستگاه‌های تولید است تا به مصرف‌کنندگان خدمات دهد. پست‌های برق توان را از طریق خطوط انتقال ارسال میکنند. ولتاژ تامین شده از طریق این خطوط انتقال توسط ترانسفورماتورهای پست به سطوح پایین تر کاهش می یابد که هارمونیک ها یا بین هارمونیک های خاصی را به سیستم تزریق می کنند. جریان های هارمونیک در سیستم های توزیع می تواند باعث اعوجاج هارمونیک، ضریب توان کم و تلفات اضافی و همچنین گرمای بیش از حد در تجهیزات الکتریکی شود که منجر به کاهش طول عمر تجهیزات و افزایش هزینه های خنک کننده می شود.

 بارهای تک فاز غیرخطی ارائه شده توسط این ترانسفورماتورهای پست، شکل موج جریان را تغییر می دهند. عدم تعادل بارهای غیرخطی منجر به تلفات اضافی در ترانسفورماتورهای قدرت، بار اضافی خنثی ها، عملکرد غیرمنتظره قطع کننده های مدار کم توان و اندازه گیری نادرست برق مصرفی می شود. شکل 3 اثر این بارهای خطی را نشان می دهد.

شکل امواج، فرکانس و ولتاژ

این سه عامل می توانند به افت کیفیت توان منجر شوند. تغییرات در ولتاژ پیک در همه وسایل اهمیت دارد و بر کیفیت مؤثر است. تغییرات ناگهانی در ولتاژ به سوسو زدن در وسایل روشنایی منجر می شود. بالا رفتن ناگهانی و بسیار کم ولتاژ به علت روشن شدن بارهای القایی بزرگ یا در رعد و برق به وجود می آید.
در صورتی که فرکانس شکل موج در میزان ثابت و مشخصی باقی نماند در کیفیت اثر دارد. امپدانس فرکانس پایین غیر صفر وقتی اتفاق می افتد که بار جریان بالا می رود و ولتاژ پایین می آید. برعکس امپدانس فرکانس بالای غیر صفر وقتی اتفاق می افتد که یک بار جریان بالایی نیاز دارد و یک دفعه این مصرف جریان بالا را نگه می دارد.
نوسان ولتاژ و جریان به طور معمول سینوسی یا کسینوسی است. ولی به علت نقص در ژنراتورها یا بارها دچار تغییر می شود. ژنراتورها می توانند در ولتاژها و بارها اعوجاج به وجود بیاورند. اعوجاج هایی که به شکل نوسان های با سرعت بیشتر از فرکانس های اسمی هستند با نام هارمونیک شناخته می شوند.

خانه ها، اداره ها و کارخانه ها

کیفیت توان را می توان با استفاده از شیوه هایی بهبود بخشید. برخی از این شیوه ها به شرکت های توزیع برق و برخی دیگر به مصرف کننده ها مربوط می شوند:

• شرکت های توزیع برق می توانند برای این کار از فناوری های نوین استفاده کنند. باید احتمال وقوع اتصال کوتاه را کم کنند. ضمن این که پایین آوردن، کنترل و استاندارد کردن مقاومت زمین نیز به بهبود کیفیت منجر می شود. بار ترانس های توزیع باید تنظیم شوند و شبکه در صورت لزوم گسترش و نوسازی داشته باشد. تأثیرات آسیب رسان رعد و برق را باید کاهش دهند. خوب است که راکتورهای ضد تشدید را با خازن های تصحیح ضریب توان نصب کنند.
• مصرف کننده ها می توانند از توزیع مناسب برای بارهای تک فاز استفاده کنند. ضمن این که استفاده از بارهایی که آلودگی کمتری تولید می کنند نیز توصیه می شود. به کار بردن فیلترهای هارمونیکی در محل بارهای آلوده کننده مفید واقع می شود. استفاده از جبران کننده های استاتیکی توان راکتیو موازی و راکتور محدودکننده جریان هم در بهبود کیفیت کارآمد است.

اهمیت اقتصادی کیفیت توان

کیفیت توان و برق به طور مستقیم بر هزینه هایی که به دلیل مصرف برق به مصرف کننده تحمیل می شود اثرگذار است. این روزها به احیای صنعت با اتوماسیون بیشتر و وسایل جدیدتر توصیه می شود. ممکن است قطع برق به شکل معمول یا لحظه ای آسیب های مالی جبران ناپذیری را برای صنایع به دنبال داشته باشد. برای راه اندازی یک خاموشی در خط تولید یک صنعت ممکن است به ۴ ساعت زمان نیاز باشد.
هزینه های تحمیلی قطع برق در اماکن مسکونی به جایگزین کردن لوازم خانگی منتهی می شود، اما در صنایع بزرگ می تواند به خسارت های میلیونی در خط تولید منجر شود. می توان به طور قطع گفت که بهبود کیفیت قدرت موجب پایین آمدن خطرات، بالا رفتن بهره وری، پایین آمدن هزینه های کسب و کار و بهبود خط مشی خواهد شد. تجزیه و تحلیل سیستم قدرت عامل اساسی این مسائل را بررسی می کند. در نهایت، بعد از این بررسی می توان راه حل های مقرون به صرفه ای را پیشنهاد داد. بهبود زمین، محافظت از نوسان ها، تهویه برق، منابع تغذیه بی وقفه و فیلترهای هارمونیک از جمله آنها هستند.