اعوجاج هارمونیکی THD در منابع تغذیه و استاندارد آن

اعوجاج هارمونیکی یا THD یک پارامتر مهم در تمام سیستم های برقی و مبدل های الکتریکی است که باید تا حد امکان پایین نگه داشته شود. عدد THD بیانگر این است که جریانی که شما از شبکه برق مصرف میکنید تا چه حد سینوسی است. اجازه دهید یک مثال ساده بزنم. فرض کنید سه مصرف کننده داریم که اولی جریان کاملا سینوسی از شبکه برق میکشد. دومی جریانی هارمونیکی که تقریبا مثلثی شکل است مصرف میکند و سومی جریان های لحظه ای بزرگی مصرف میکند. توان هر سه دستگاه یکی است. دستگاه اول طبیعتا دارای THD صفر است و پیک جریانی که مصرف میکند نسبت به بقیه پایین تر است و دستگاه سوم دارای THD بسیار بالا است و پیک جریان مصرفی آن چندین برابر مقدار موثر جریان آن است.

استاندارد های بین المللی برای کیفیت توان تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی متصل به شبکه وجود دارد. منابع تغذیه خطی ساده و ابتدایی، از نظر پارامترهای ضریب توان و THD مربوط به این استانداردها، نمی توانند مورد تایید قرار بگیرند. ضریب توان و اعوجاج هارمونیکی(THD) مولفه های اصلی کیفیت توان در دستگاه های الکتریکی و الکترونیکی هستند. در حالت کلی، تا جایی که امکان دارد ضریب توان باید نزدیک به یک بوده و THD مقدار صفر داشته باشد. استانداردهای مختلف تعیین می کنند که تا چه سطحی این پارامترها میتوانند غیر ایده آل باشند. منابع تغذیه خطی معمولا کیفیت توان پایینی دارند و این مقاله توضیح می دهد که برای آنها چه کاری باید انجام داد.

استانداردهای بین المللی مانند IEC 61000-3-2 و Energy Star 80 Plus برنامه هایی را برای کیفیت توان تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی متصل به شبکه تنظیم می کنند. مخصوصا، استاندارد IEC 61000-3-2:2014 بر اساس حداکثر سطح توان کلاس های مختلف تجهیزات، محدودیت هایی را بر روی جریان های هارمونیکی قرار می دهد. استاندارد Energy Star 80 Plus حداقل ضریب توان(0.9 در بار 100%) و حداقل بازدهی(80%) را برای منابع تغذیه تجهیزات کامپیوتری مشخص می کند.

کیفیت توان در مبدل های الکتریکی

معمولا در منابع تغذیه الکتریکی بیشتر به ولتاژ و جریان و به طور کلی کیفیت خروجی آن ها توجه میشود تا مصرف کننده به درستی تغذیه شود. اما کیفیت توان بر اساس پارامتر هایی تعیین میشود که به ورودی منبع تغذیه توجه دارد. که شامل بازده سیستم، میزان اعوجاج هارمونیکی و ضریب توان است.

بازده سیستم

بازده انرژی شناخته شده ترین پارامتر کیفیت توان می باشد که برابر است با، توان مفید خروجی تقسیم بر مجموع توان مصرفی ورودی. اهمیت بالای استاندارد بازده انرژی مشخص است، بازده پایین تر به معنای اتلاف انرژی بیشتر است.

اعوجاج هارمونیکی یا THD

بحث پیرامون THD مقداری از بحث مربوط به بازدهی پیچیده تر است. مفهوم THD به طور مختصر برابر است با مجموع قدرت مولفه های هارمونیکی یک سیگنال(در اینجا، سیگنال جریان)  تقسیم بر قدرت مولفه اصلی سیستم. به بیان دیگر، THD توسط تمامی فرکانس هایی که ضریبی از فرکانس اصلی هستند، تولید می شود.

یک راه برای درک THD بدین صورت است که یک موج سینوسی با کیفیت، هیچ هارمونیکی ندارد، هرچه یک سیگنال متناوب شباهت کمتری به شکل موج سینوسی داشته باشد، دارای المان هارمونیکی بیشتری است. استانداردهای THD جریان اهمیت بالایی دارند، چون المان های فرکانس بالای جریان، تاثیرات نامطلوب و غیرقابل پیش بینی فراوانی را بر روی سیستم های الکترونیکی خواهند داشت، مانند: افزایش جریان مصرفی، افزایش تلفات هسته در موتور یا ترانس و تداخلات الکترومغناطیسی با سایر تجهیزات الکتریکی.

ضریب توان

ضریب توان نیز پارامتر مهمتر و پیچیده تری نسبت به بازده انرژی می باشد. مفهوم آن بدین صورت است: توان واقعی دریافت شده توسط سیستم، تقسیم بر توان ظاهری دریافت شده توسط سیستم(هرچه مقدار ضریب توان به 1 نزدیک تر باشد بهتر است).

|PF=P/|S

PF ضریب توان، P توان واقعی و S توان ظاهری می باشد.  |S| برابر با I_RMS*V_RMS بوده و PF نشان دهنده کسری از توان ظاهری است که توسط سیستم استفاده می شود.

توان باقی مانده، توان راکتیو نامیده شده، که بدون اینکه استفاده شود مابین منبع و بار جابه جا می گردد. اگر دو سیستم نیاز به مقدار برابر از توان واقعی داشته باشند، مقدار جریانی که توسط سیستم با توان راکتیو بالاتر دریافت می شود، بزرگتر از مقدار جریانی است که توسط سیستم با توان راکتیو پایین تر دریافت می گردد. به عبارت دیگر استانداردهای ضریب توان به این دلیل اهمیت دارند که سیستم هایی با ضریب توان کمتر نیاز به پیک جریان بالاتری دارند تا توان واقعی برابری را دریافت کنند.

دو پارامتر اصلی سیستم که بر روی ضریب توان تاثیر گذارند عبارتند از: میزان اعوجاج هارمونیکی و اختلاف فاز مابین ولتاژ و جریان ورودی مصرف کننده. هرچه شکل موج جریان سینوسی تر باشد، اعوجاج هارمونیکی کمتر بوده و هرچه اختلاف فاز مابین ولتاژ و جریان کمتر باشد، ضریب جابه جایی کمتر است. ترکیب ضریب اعوجاج و ضریب جابه جایی معادله دیگری را برای ضریب توان ارائه می دهد.

بنابراین ضریب توان فقط به سلفی یا خارنی بودن بار بستگی ندارد بلکه به میزان هارمونیک های جریان نیز بستگی دارد.

چالش در برآورده کردن استانداردها

اجازه دهید مجددا به این موضوع برگردیم که چرا منابع تغذیه خطی نمی توانند مورد تایید استانداردهای کیفیت توان مانند IEC 61000-3-2:2014 قرار بگیرند. ابتدا عملکرد یک نمونه از این منابع تغذیه را مورد بررسی قرار داده و شکل موج جریان و ارتباط مابین ولتاژ و جریان آن را مشاهده می کنیم.

در تصویر زیر دیاگرام و شماتیک یک منبع تغذیه ساده را مشاهده می کنید.

این مدار تشکیل شده از یک ترانس که سطح ولتاژ AC خط را کاهش می دهد، یک یکسوساز که ولتاژ AC خط را به ولتاژ DC تبدیل می کند، یک خازن برای فیلتر کردن و صاف کردن ولتاژ و یک رگولاتور برای ثابت نگه داشتن ولتاژ در مقدار مورد نظر(مدار نشان داده شده در تصویر دارای رگولاتور نمی باشد).

اگر هم ما بار را خطی فرض کنیم(که در اکثر مواقع اینطور نیست)، به دلیل وجود خازن با ظرفیت بالا که برای فیلتر کردن ولتاژ به کار می رود، جریان وارد شده به سیستم از بخش AC که برای شارژ این خازن به کار می رود، بسیار سوزنی می باشد. نتیجه این جریان هجومی، ضریب توان پایین و هارمونیک زیاد جریان در سیستم می باشد.

در تصویر بعد ارتباط مابین جریان در بخش DC سیستم(I_rect) و ولتاژ بار را نشان می دهد(V_DC).  همان طور که در تصویر مشاهده می کنید، در یک دوره تناوب شکل موج جریان، فقط اسپایک های بزرگ جریان وجود دارد و در مابقی آن جریان صفر است. با وجود اینکه جریانی که به بار داده می شود، کم و بیش ثابت است، ولی بخش AC منبع تغذیه جریان را به صورت هجومی و شدید دریافت می کند.

شکل موج بالا برای ولتاژ DC شده برق تکفاز برای یک لود 350 واتی رسم شده است که خازن بعد از یکسوساز آن 300 میکرو فاراد ظرفیت دارد.