چرا ضریب توان ورودی اینورتر دو عدد است و نه یکی، چرا جریمه ضریب توان قبض ممکن است حذف بشود و ممکن است نشود، چه اتفاقی می‌افتد وقتی اینورتر را به کارخانه‌ای اضافه می‌کنید که از قبل بانک خازن دارد، کدام قطعه این مشکل را حل نمی‌کند ولی به اسم آن فروخته می‌شود، و چه چیزی واقعاً حلش می‌کند.
یک جمله در فروش اینورتر زیاد گفته می‌شود و نصفش درست است. «اینورتر ضریب توان را اصلاح می‌کند.» کسی که این را می‌شنود معمولاً جریمه ضریب توان قبض برقش را در ذهن دارد و برداشتش این است که آن جریمه برداشته می‌شود.
چیزی که واقعاً اتفاق می‌افتد این است که اینورتر جریان راکتیو را از شبکه برمی‌دارد و جای آن جریان هارمونیک می‌گذارد. این معاوضه در بیشتر پروژه‌ها به نفع شماست و دلیل خوبی هم برایش وجود دارد. ولی معاوضه است. و اینکه آخرش روی کنتور کارخانه چه عددی می‌نشیند، به دو چیز بستگی دارد که هیچ‌کدام در کاتالوگ اینورتر نوشته نشده‌اند: آن کنتور چه کمیتی را اندازه می‌گیرد، و در ورودی اینورتر راکتور یا چوک گذاشته‌اید یا نه.
این مقاله برای مهندس طراح نوشته شده، یعنی کسی که باید قبل از خرید تصمیم بگیرد و بعد از نصب جوابِ اندازه‌گیری را بدهد. پس فرمول‌ها در متن هست و جاهایی که عددی در دست نداریم هم صریح گفته شده.
یک نکته را هم همین اول روشن کنیم، چون در این موضوع زیاد سوءبرداشت می‌شود. هر چه در این مقاله درباره هارمونیک و ضریب توان می‌آید، به مدار یکسوساز شش‌پالسه برمی‌گردد و به نام سازنده دستگاه کاری ندارد؛ اینورتر هر برندی در دنیا همین رفتار را دارد و دستگاهی وجود ندارد که از این فیزیک معاف باشد. آنچه مخصوص NEO است فقط همان چند جایی است که صریح از دفترچه همین محصول حرف می‌زنیم، و آن‌ها هم به فیزیک مربوط نیستند؛ به این مربوط‌اند که چه عددی منتشر شده و چه عددی نشده است.
📌 موتور بدون اینورتر چه مشکلی دارد
✅ جریان موتور القایی دو بخش دارد و این تقسیم‌بندی کل بحث را روشن می‌کند.
یک بخش کار می‌کند. گشتاور می‌سازد، با بار بالا و پایین می‌رود، و همان است که در نهایت به کیلووات‌ساعت روی قبض تبدیل می‌شود. بخش دیگر صرف مغناطیس کردن هسته می‌شود. این یکی تقریباً مستقل از بار است، چون شدت میدان لازم برای به گردش آوردن شار در هسته به گشتاور خروجی کاری ندارد؛ موتوری که روی هوا می‌چرخد تقریباً همان جریان مغناطیس‌کنندگی را می‌کشد که موتور تحت بار کامل.
نتیجه‌اش را در هر کارگاهی می‌بینید و معمولاً هم کسی گردن نمی‌گیرد. موتور را دست‌ودل‌بازانه انتخاب کرده‌اند، یا ماشین با ظرفیت کمتری از آنچه طراحی شده کار می‌کند، یا دو تا از چهار خط تولید خوابیده. موتوری که در عمل با چهل درصد بار کار می‌کند همان جریان مغناطیس‌کنندگی کامل را می‌کشد و توان مفیدش کم شده، پس ضریب توانش جایی بین 0.3 تا 0.5 می‌افتد.
اینجا یک سوءتفاهم خیلی رایج شکل می‌گیرد که باید قبل از هر چیز رفعش کنیم. توان راکتیو انرژی نیست. در هر نیم‌سیکل از شبکه گرفته می‌شود و در نیم‌سیکل بعد به شبکه برگردانده می‌شود، و کاری انجام نمی‌دهد؛ به همین دلیل هم به عنوان کیلووات‌ساعت فروخته نمی‌شود. اگر جایی خوانده‌اید «اینورتر توان راکتیو را حذف می‌کند، پس مصرف برق کم می‌شود»، یک پله از استدلال جا افتاده.
هزینه واقعی‌اش را از دو راه می‌دهید. راه اول تلفات حرارتی در تأسیسات خودتان است. آن جریان راکتیو از همان کابل و همان ترانس و همان کلید می‌گذرد که جریان مفید، و همان‌جا هم به حرارت تبدیل می‌شود؛ تلفات با مربع جریان بالا می‌رود و برای مربع جریان فرقی نمی‌کند آن جریان کار می‌کند یا نه. راه دوم جریمه تعرفه است، که در ایران برای ضریب توان پایین‌تر از 0.9 اعمال می‌شود و برای یک مشترک بزرگ عدد کمی هم نیست.
پس تا اینجا مشکل واقعی است.
سؤال این است که:
اینورتر دقیقاً با آن چه می‌کند؟ اینورتر آن جریان مغناطیس‌کنندگی را از کجا می‌آورد؟
از خازن باس DC، نه از شبکه.
این یک جمله، هسته نصفهٔ درستِ آن حرف فروش است و ارزش دارد که آهسته‌تر بگوییم. اینورتر دو طبقه دارد که از هم مستقل‌اند. طبقه ورودی یکسوساز است و برق متناوب شبکه را به یک باس DC تبدیل می‌کند. طبقه خروجی اینورتر است و از آن باس DC، سه فاز با فرکانس و ولتاژ متغیر می‌سازد. بین این دو، خازن باس نشسته است.
موتور همچنان جریان مغناطیس‌کنندگی خودش را می‌خواهد و می‌گیرد. ولی آن را از طبقه خروجی می‌گیرد، و تأمین‌کننده‌اش خازن باس است؛ همان انرژی در هر سیکل بین خازن و سیم‌پیچ موتور جلو و عقب می‌رود و هیچ‌وقت از یکسوساز رد نمی‌شود. آن طرف دیگر دستگاه، یعنی سمت شبکه، چیزی که شبکه می‌بیند یک پل دیودی است که فقط دارد خازن را شارژ می‌کند، و پل دیودی توان راکتیو جابه‌جایی چندانی نمی‌کشد.
پس ضریب توان جابه‌جایی در ورودی اینورتر نزدیک 0.98 می‌ماند. و چیزی که از خود این عدد ارزش بیشتری دارد این است که با بار موتور تغییر نمی‌کند. همان موتور چهل‌درصدیِ قبلی را پشت اینورتر ببرید، ضریب توان جابه‌جایی ورودی‌اش عوض نمی‌شود؛ کم‌باری موتور دیگر به شبکه منتقل نمی‌شود چون جریان مغناطیس کنندگی‌اش از شبکه نمی‌آید.
برای کارخانه‌ای که چند موتور کم‌بار دارد این سود واقعی است و در دو جا دیده می‌شود. در تلفات کابل و ترانس خودش، و در آن جریمه تعرفه. اگر مشتری شما بانک خازن ندارد و ضریب توانش هم پایین است، اینورتر برایش دو مسئله را با یک خرید حل می‌کند و این را با خیال راحت بگویید.
از اینجا به بعد نصفهٔ دوم است.
📌 یکسوساز شش‌پالسه واقعاً چه شکلی جریان می‌کشد
برای فهمیدن نصفهٔ دوم باید یک لحظه داخل همان طبقه ورودی را نگاه کنیم، چون تمام ماجرا از شکل موج همین‌جا شروع می‌شود.
ورودی اینورتر سه‌فاز، شش دیود است، دو تا روی هر فاز. هر لحظه آن دو دیودی هدایت می‌کنند که بالاترین و پایین‌ترین ولتاژ لحظه‌ای را دارند، و در طول یک سیکل کامل شش بار این انتخاب عوض می‌شود؛ از همین شش‌بار است که اسم شش‌پالسه آمده. تا اینجا هیچ مشکلی نیست.
مشکل از خازن باس شروع می‌شود، و طنز ماجرا این است که همان خازنی که در بخش قبل قهرمان بود. خازن باس شارژ شده و ولتاژش نزدیک قله ولتاژ شبکه است. دیود فقط وقتی هدایت می‌کند که ولتاژ شبکه از ولتاژ خازن بالاتر برود، و این فقط در یک بازه کوتاه نزدیک قله هر نیم‌سیکل اتفاق می‌افتد. باقی زمان، دیودها بسته‌اند و اینورتر از شبکه تقریباً هیچ جریانی نمی‌کشد.
یعنی اینورتر توانش را به صورت پیوسته نمی‌گیرد؛ در پالس‌های کوتاه و بلند می‌گیرد. و از آنجا که توان متوسط باید همان مقدار باشد، آن پالس کوتاه ناچار است بلند باشد. فاکتور قله چنین موجی نزدیک 2 است، در حالی که برای یک سینوس خالص 1.41 است.
حالا آن موج نوک‌تیز را تحلیل کنید. هر موج متناوبی را می‌توان به مجموعه‌ای از سینوس‌ها تجزیه کرد، و برای موج جریان یک پل شش‌پالسه نتیجه تجزیه قاعده‌مند است: علاوه بر مؤلفه اصلی 50 هرتز، مؤلفه‌هایی از مرتبه شش‌کا به‌علاوه و منهای یک وجود دارد. یعنی مرتبه پنجم و هفتم، بعد یازدهم و سیزدهم، و همین‌طور بالاتر با دامنه کمتر. مرتبه‌های زوج و مرتبه‌های مضرب سه در یک پل متقارن سه‌فاز نیستند.
روی شبکه 50 هرتز، این مرتبه‌ها به ترتیب روی 250 و 350 و 550 و 650 هرتز می‌نشینند. این چهار عدد را یادتان بماند؛ در بخش فیلتر و در بخش تشدید دقیقاً همین‌ها تعیین‌کننده‌اند.
این‌ها جریان‌های واقعی‌اند. از همان کابل ورودی و همان کلید و همان ترانس می‌گذرند، سیم را گرم می‌کنند، و در هیچ‌کدامشان توان مفیدی به دستگاه شما منتقل نمی‌شود. در واقع همان جریان راکتیوی که از شبکه برداشتیم، به شکل دیگری برگشته است.
📌 ضریب توانِ کامل حاصل‌ضرب دو عدد است
اینجا جایی است که بیشتر بحث‌ها خراب می‌شود، چون دو طرف دارند درباره دو کمیت مختلف حرف می‌زنند و هر دو هم اسمش را «ضریب توان» می‌گذارند.
ضریب توان کل، نسبت توان اکتیو به توان ظاهری است و حاصل‌ضرب دو عامل:
ضریب توان کل = ضریب توان جابه‌جایی × ضریب اعوجاج
عامل اول همان چیزی است که با cos φ می‌شناسید. اختلاف فاز بین مؤلفه اصلی جریان و ولتاژ را اندازه می‌گیرد و به هارمونیک کاری ندارد. این همان عددی است که اینورتر بهترش می‌کند و نزدیک 0.98 نگهش می‌دارد.
عامل دوم کاری با فاز ندارد و فقط به این می‌پردازد که چه کسری از جریان مؤثر در مؤلفه اصلی نشسته است:
ضریب اعوجاج = 1 / √(1 + THDi²)
عدد بگذاریم تا معلوم شود این حرف چقدر جدی است.
برای اینورتری که چوک باس DC دارد، اعوجاج هارمونیکی جریان ورودی چیزی حدود 45 درصد است. پس ضریب اعوجاج می‌شود 1 تقسیم بر جذر 1.2025، یعنی 0.91. در 0.98 ضرب کنید: 0.89. این عدد همان 0.9 معروف تعرفه را به زور رد می‌کند، و آن 0.98 که در بروشور دیده بودید نیست. و وضعیت اینورتری که هیچ راکتور و چوکی در ورودی‌اش ندارد بدتر است. ضریب توان کل اندازه‌گیری‌شده در ورودی چنین دستگاهی معمولاً بین 0.6 تا 0.7 درمی‌آید، و با راکتور ورودی چهار یا پنج درصد یا با چوک باس به حدود 0.85 تا 0.9 می‌رسد.
یک محاسبه کوچک بکنید که ارزشش را دارد. اگر از همین فرمول برگردید عقب و بپرسید چه اعوجاجی آن بازه 0.6 تا 0.7 را می‌سازد، جواب عددی بالاتر از صد درصد است. برای کسی که THDi را همیشه عددی زیر صد دیده این غلط به نظر می‌رسد. غلط نیست. THD نسبت مجموع هارمونیک‌ها به مؤلفه اصلی است و هیچ قاعده‌ای آن را به صد محدود نمی‌کند؛ در یکسوساز بدون راکتور، مجموع هارمونیک‌ها از خود مؤلفه اصلی بزرگ‌تر می‌شود.
📊 یک نکته برای اهل جدول:
در جدول مشخصات هر اینورتری دو ستون توان هست، یکی بر حسب کیلوولت‌آمپر و یکی بر حسب کیلووات موتور قابل اتصال، و این دو عدد عمداً با هم فرق دارند. اولی توان ظاهری است و از رابطه جذر سه در ولتاژ در جریان درمی‌آید؛ دومی توان مکانیکی موتور است. فاصله بین این دو را ضریب توان و راندمان پر می‌کنند. اگر عادت کرده‌اید این دو ستون را به جای هم بخوانید، همین‌جا جلوی یک خطای سایزبندی گرفته می‌شود.
📌 جریان هارمونیکی و ولتاژ هارمونیکی دو چیز مختلف‌اند
این تفکیک مهم‌ترین چیزی است که یک مهندس طراح باید از این مقاله بردارد، و دقیقاً همان چیزی است که توضیح می‌دهد چرا یک اینورتر در یک کارخانه بی‌آزار است و همان اینورتر در کارخانه بغلی دردسر می‌سازد.
اینورتر جریان هارمونیکی تولید می‌کند. این خاصیت خودِ دستگاه است و تقریباً هر جا نصبش کنید همان است. ولی آنچه به باقی تجهیزات کارخانه آسیب می‌زند جریان هارمونیکی نیست، اعوجاج ولتاژ روی باس است. و اعوجاج ولتاژ، حاصل‌ضرب آن جریان هارمونیکی در امپدانس منبع است.
یعنی همان دستگاه، با همان جریان، روی دو شبکه دو نتیجه کامل متفاوت می‌دهد. اگر پست و ترانس شما قوی باشد و امپدانس منبع کم، آن جریان هارمونیکی ولتاژ محسوسی نمی‌سازد و هیچ‌کس در کارخانه متوجه چیزی نمی‌شود. اگر روی یک ترانس کوچک یا سر یک خط هوایی بلند نشسته باشید، همان جریان، ولتاژ باس را واقعاً تغییر شکل می‌دهد، و بعد همه چیزهایی که به آن باس وصل‌اند با یک ولتاژ معوج کار می‌کنند.
کلمه‌ای که برای این خاصیت شبکه به کار می‌رود «سختی» یا استحکام شبکه است و در عمل با ظرفیت اتصال کوتاه در نقطه اتصال سنجیده می‌شود. ظرفیت اتصال کوتاه بالا یعنی امپدانس منبع کم یعنی شبکه سخت. همین یک عدد تعیین می‌کند اندازه‌گیری THDv شما خوب در می‌آید یا بد، و برای همین است که از کارخانه اینورتر نمی‌شود پرسید «THDv این دستگاه چند است»؛ چنین عددی وجود ندارد، چون نصفش به شبکه شما مربوط است.
دو نتیجه عملی از این حرف بیرون می‌آید:
اول: اگر در پروژه‌ای روی THDv الزام قراردادی دارید، بدون دانستن ظرفیت اتصال کوتاه در نقطه اتصال نمی‌توانید قول بدهید. این عدد را از شرکت برق منطقه بگیرید و قبل از قیمت دادن بگیرید.
دوم: و این یکی عجیب‌تر است، اعوجاج ولتاژِ از قبل موجود روی شبکه، جریان هارمونیکی خودِ اینورتر را هم عوض می‌کند. یکسوساز دیودی به شکل موج ولتاژی که می‌بیند واکنش می‌دهد؛ وقتی ولتاژ قله‌اش تخت شده باشد، پنجره هدایت دیود عوض می‌شود و الگوی جریان هم با آن عوض می‌شود. پس در یک کارخانه‌ای که از قبل پر از درایو است، دستگاه بعدی که اضافه می‌کنید دقیقاً همان رفتاری را که در کاتالوگ آمده نشان نمی‌دهد. این را در پروژه‌های توسعه زیاد دیده‌ایم و تنها راه حلش اندازه‌گیری روی همان باس است.
📌 یک مثال عددی که می‌توانید روی پروژه خودتان تکرار کنید
حرف‌های بالا تا وقتی عدد نخورند، به تصمیم تبدیل نمی‌شوند. پس یک مثال ساده را کامل برویم. فرض‌ها را صریح می‌گذارم تا بتوانید با فرض‌های پروژه خودتان عوضشان کنید.
یک سالن با ترانس 400 کیلوولت‌آمپری، و شش دستگاه اینورتر روی شش فن هوادِه 22 کیلوواتی. راندمان موتور را 88 درصد و راندمان اینورتر را 97 درصد می‌گیریم، و فرض می‌کنیم فن‌ها در شرایط حداکثر کار می‌کنند.
توان مکانیکی کل می‌شود 132 کیلووات. توان اکتیوی که از شبکه گرفته می‌شود، یعنی همان عددی که روی کنتور کیلووات‌ساعت می‌رود، تقسیم آن بر حاصل‌ضرب دو راندمان است: حدود 155 کیلووات. تا اینجا هیچ‌کدام از بحث‌های این مقاله در عدد دخالت نکرده‌اند و این عدد با راکتور و بی‌راکتور یکی است.
حالا توان ظاهری را حساب کنید، چون ترانس و کابل و کلید از آن انتخاب می‌شوند و نه از توان اکتیو. توان ظاهری، توان اکتیو تقسیم بر ضریب توان کل است.
بی هیچ راکتوری، ضریب توان کل را 0.65 بگیرید، یعنی میانه همان بازه‌ای که بالا گفتیم. توان ظاهری می‌شود حدود 238 کیلوولت‌آمپر، و جریان خط روی 380 ولت سه‌فاز حدود 361 آمپر.
با راکتور ورودی، ضریب توان کل را 0.88 بگیرید. توان ظاهری می‌شود حدود 176 کیلوولت‌آمپر، و جریان خط حدود 267 آمپر.
به این دو عدد نگاه کنید. همان بار، همان کیلووات‌ساعت، و 94 آمپر تفاوت در جریانی که کابل و کلید و ترانس باید تحمل کنند. این تفاوت یک رده سطح مقطع کابل است و یک فریم کلید، و در سمت ترانس هم معنای مستقیم دارد: بار دیده‌شده از 59 درصد پلاک ترانس به 44 درصد می‌آید. آن 60 کیلوولت‌آمپر اختلاف، حدود پانزده درصد ظرفیت ترانس است که صرف هیچ کاری نمی‌شود.
و یادتان باشد که این حساب، بحث تلفات ادی و اثر پوستی را هنوز وارد نکرده؛ آن‌ها روی همین جریان بزرگ‌تر سوار می‌شوند. پس عدد واقعی از این بدتر است و نه بهتر.
یک نکته هم درباره همان نسبت پنجاه‌ونه درصدی. در این مثال، درایوها بار غالب ترانس‌اند. این دقیقاً همان وضعیتی است که در بخش آخر می‌گوییم هارمونیک در آن از پاورقی به قلم طراحی تبدیل می‌شود، و در چنین سالنی راکتور ورودی یک قطعه اختیاری نیست.
📌 روی دیزل‌ژنراتور، همین ماجرا چند برابر است
از آن رابطه بین جریان هارمونیکی و امپدانس منبع، یک نتیجه مهم بیرون می‌آید که در پروژه‌های دور از شبکه زیاد به آن برمی‌خورید.
ژنراتور، در مقایسه با یک پست توزیع، منبع بسیار ضعیفی است؛ امپدانس داخلی‌اش به مراتب از امپدانس یک ترانس توزیع بیشتر است. همان جریان هارمونیکی، در آن امپدانس بزرگ‌تر ضرب می‌شود و اعوجاج ولتاژی می‌سازد که روی شبکه شهر دیده نمی‌شد. یعنی اینورتری که در کارخانه هیچ مشکلی نداشت، روی ژنراتور می‌تواند ولتاژ باس را واقعاً تغییر شکل بدهد.
سه چیز از این بیرون می‌آید. اول، رگولاتور ولتاژ ژنراتور دارد یک موج معوج را اندازه می‌گیرد و بر اساس آن تصمیم می‌گیرد، و رفتار ناپایدار از همین‌جا شروع می‌شود. دوم، آن جریان هارمونیکی از سیم‌پیچ خود ژنراتور می‌گذرد و گرمش می‌کند، و پلاک ژنراتور برای بار سینوسی نوشته شده است. سوم، و این یکی از همه مهم‌تر است، ژنراتور انرژی برگشتی را نمی‌تواند جذب کند؛ اگر بار شما انرژی برمی‌گرداند، ولتاژ باس DC بالا می‌رود و اینورتر تریپ می‌دهد، و مقاومت ترمزی از یک انتخاب به یک الزام تبدیل می‌شود.
سایزبندی ژنراتور برای بار اینورتری بحث خودش را دارد و اینجا جایش نیست؛ مقاله جداگانه‌ای در راه است. آنچه در این مقاله به آن مربوط است همین یک جمله است: راکتور ورودی روی ژنراتور، از آنچه روی شبکه شهر بود ضروری‌تر است و نه کمتر.
⚠️ قطعه‌ای که این مشکل را حل نمی‌کند
اینجا یک اشتباه رایج هست که به ما هم مربوط می‌شود، چون در خود همین سایت نوشته شده بود و اصلاحش کردیم.
فیلتر نویز ورودی، همان چیزی که فیلتر EMC هم صدایش می‌کنند، برای هارمونیک شبکه نیست. کارش تضعیف اغتشاش هدایتی در فرکانس‌های بالا است، یعنی از حدود 150 کیلوهرتز به بالا، آنجا که کلیدزنی IGBT و شیب تند ولتاژ خروجی نویز می‌سازد. آن هم مشکل واقعی و درستی است، جایش هم همان ورودی است، و اگر در تابلو شما رادیوی بی‌سیم یا سنسور آنالوگ حساس یا شبکه ابزار دقیق دارید آن فیلتر را لازم دارید.
ولی آن چهار عددی که در بخش بالا گفتیم را بگذارید کنار این یکی. مؤلفه‌های مرتبه پنجم و هفتم و یازدهم و سیزدهم روی ۲۵۰ و ۳۵۰ و ۵۵۰ و ۶۵۰ هرتز نشسته‌اند. فاصله از ۶۵۰ هرتز تا ۱۵۰ کیلوهرتز بیش از دو دهه فرکانسی است. فیلتری که برای آن بالا طراحی شده، در این پایین عملاً هیچ کاری نمی‌کند.
اگر کسی برای پاس کردن یک اندازه‌گیری THDi فیلتر EMC خریده، قطعه اشتباهی خریده. این را قبل از فروش بگویید، نه بعد از اندازه‌گیری.
دفترچه خود NEO در این مورد دقیق‌تر از چیزی است که معمولاً نقل می‌شود. در بخش نصب، نصب فیلتر نویز در سمت ورودی و یک چوک حلقه‌ای فریت در ابتدای ورودی و خروجی را به نصاب توصیه می‌کند، و هر دو را هم در فهرست قطعات اختیاری آورده؛ یعنی هیچ‌کدام داخل دستگاه نیستند. تنها قطعه‌ای که دفترچه برای سمت ورودی با اسم تجویز می‌کند راکتور ورودی است، و آن را در شرایطی که ولتاژ ورودی نوسان دارد معرفی می‌کند. قطعه درست در خانواده محصول وجود دارد؛ فقط برای این دلیل فروخته نمی‌شود.
یک تفکیک دیگر هم که مرتب جابه‌جا می‌شود. راکتور خروجی قطعه دیگری است و مسئله دیگری را حل می‌کند. آن یکی برای کابل موتور بلند است، جایی که موج بازتابی به سیم‌پیچ موتور فشار می‌آورد، و دفترچه ویرایش قدیمی‌تر برای کابل بلندتر از 100 متر توصیه‌اش کرده بود. اگر در تابلویی راکتور خروجی گذاشته‌اید، برای هارمونیک شبکه کاری نکرده‌اید. و در جهت عکس، چیزی که ظرفیت خازنی داشته باشد هرگز نباید روی خروجی اینورتر برود؛ این را دفترچه با صراحت ممنوع کرده و خازن اصلاح ضریب توان مصداق بارزش است.
📌 تشدید با بانک خازن، و این بخش را جدی بگیرید
تا اینجا هارمونیک یک قلم تلفات بود. در این یک حالت مشخص، هارمونیک قطعه می‌سوزاند، و این حالت در صنعت ایران نادر نیست؛ تقریباً هر کارخانه‌ای که روزی برای رفع جریمه ضریب توان بانک خازن نصب کرده و امروز دارد خط تولیدش را با درایو نو می‌کند، در همین وضعیت است.
ماجرا این است. امپدانس خازن با فرکانس کم می‌شود؛ خازنی که در ۵۰ هرتز امپدانس مشخصی دارد، در ۲۵۰ هرتز یک‌پنجم آن را دارد. یعنی بانک خازن برای جریان هارمونیکی یک مسیر کم‌امپدانس و جذاب است و آن جریان ترجیح می‌دهد از آنجا برود. این به تنهایی خازن را گرم می‌کند و عمرش را کم می‌کند، و هنوز بخش بد ماجرا نیست.
بخش بد این است که آن بانک خازن، در موازات با اندوکتانس ترانس و شبکه بالادست، یک مدار تشدید موازی می‌سازد. هر مدار تشدیدی یک فرکانس تشدید دارد، و در آن فرکانس امپدانس دیده‌شده از دید بار به شدت بالا می‌رود. مرتبه تشدید را می‌شود تخمین زد:
مرتبه تشدید ≈ (ظرفیت اتصال کوتاه شبکه ÷ توان راکتیو بانک خازن) √
عدد بگذارید و ببینید چه می‌شود. برای ترکیب‌های خیلی متداول، این عدد جایی بین چهار و هفت درمی‌آید. و حالا یادتان بیاورید که قوی‌ترین مؤلفه‌های هارمونیکی یک درایو کدام‌ها بودند: مرتبه پنجم و هفتم.
یعنی بدترین حالت ممکن یک تصادف نیست، حالت پیش‌فرض است. بانک خازنی که اندازه‌اش برای اصلاح ضریب توان انتخاب شده، طبیعتاً تشدیدش همان‌جایی می‌افتد که درایوها بیشترین جریان هارمونیکی را تزریق می‌کنند. آن جریان در آن امپدانس بالا ضرب می‌شود و ولتاژی می‌سازد که می‌تواند چند برابر سهم خودش باشد، و جریان بزرگ‌شده در حلقه بین خازن و ترانس می‌چرخد.
چیزی که در کارخانه می‌بینید این‌هاست. خازن‌ها باد می‌کنند و نشت می‌کنند و از رده خارج می‌شوند، خیلی زودتر از عمر اسمی‌شان. فیوز پله‌های بانک بی‌دلیل ظاهری می‌پرد. کنتاکتور پله‌ها زیاد وصل و قطع می‌کند. ترانس صدای غیرعادی می‌دهد و بیشتر از آنچه بارش توجیه می‌کند گرم می‌شود. و رگولاتور بانک خازن رفتار عجیب نشان می‌دهد، چون خودش دارد یک ولتاژ معوج را اندازه می‌گیرد.
حواستان باشد که این مجموعه علائم تقریباً همیشه به گردن «خازن بی‌کیفیت» می‌افتد. خازن عوض می‌شود، شش ماه بعد باز همان اتفاق می‌افتد، و کسی برنمی‌گردد بپرسد چه چیزی در این کارخانه عوض شده بود. آن چیز، آن ردیف درایو نو است.
راه‌حلش هم در همین صنعت جاافتاده است و پیچیده نیست. بانک خازن را از نوع ساده به نوع دیتیونْد یا همان ضدتشدید عوض می‌کنند، که در آن با هر پله خازن یک راکتور سری می‌شود و فرکانس تشدید مجموعه را عمداً به زیر مرتبه پنجم می‌برند، جایی که هیچ هارمونیک پرقدرتی نیست. دو نکته برای مرحله طراحی: راکتور سری ولتاژ روی خازن را بالا می‌برد، پس خازن پله باید رده ولتاژی بالاتری داشته باشد؛ و این تصمیم باید همزمان با تصمیم درایو گرفته شود و نه دو سال بعد.
تشخیصش هم در تابلو کار سختی نیست و لازم نیست منتظر مدرک بمانید. در بانک ضدتشدید، سری با هر پله خازن یک راکتور نشسته است؛ یک سیم‌پیچ با هسته آهنی که اندازه‌اش قابل چشم‌پوشی نیست و معمولاً زیر یا پشت خازن‌ها بسته می‌شود. اگر در تابلو بانک، پله‌ها فقط خازن و کنتاکتور و فیوز دارند و هیچ راکتوری در مسیرشان نیست، بانک از نوع ساده است. یک نگاه از پشت درِ تابلو جواب این سؤال را می‌دهد.
و یک توصیه که از همه این‌ها عملی‌تر است. اگر دارید برای کارخانه‌ای که بانک خازن دارد درایو پیشنهاد می‌دهید، قبل از پیشنهاد بروید ببینید آن بانک از چه نوعی است. اگر ساده است، هزینه اصلاح بانک را هم در همان پیشنهاد اولیه بیاورید. این هزینه‌ای است که اگر امروز نگویید، سال بعد به اسم خرابی به شما برمی‌گردد.
📌 آیا این روی قبض دیده می‌شود
برگردیم به سؤالی که مشتری واقعاً می‌پرسد.
جواب صادقانه این است که بستگی به کنتور دارد، و این را قبل از قول دادن باید بدانید.
کنتورهایی هستند که فقط اختلاف فاز مؤلفه اصلی را می‌بینند. چنین کنتوری همان ۰٫۹۸ را ثبت می‌کند و اعوجاج را اصلاً نمی‌بیند، و برای مشتری شما اینورتر دقیقاً همان کاری را کرده که وعده داده بوده. کنتورهایی هم هستند که با مقدار مؤثر واقعی کار می‌کنند و اعوجاج را به حساب می‌آورند. آنجا عددی که می‌بینید به ۰٫۸۹ نزدیک‌تر است.
همین تفکیک برای ابزار دست خودتان هم هست و خطای اندازه‌گیری رایجی می‌سازد. آمپرمتر انبری ارزان، مقدار متوسط را می‌گیرد و با فرض سینوسی بودن موج آن را به مقدار مؤثر تبدیل می‌کند. روی ورودی یک درایو این فرض غلط است و آن ابزار کمتر از واقعیت نشان می‌دهد. پس اگر با انبری معمولی جریان ورودی یک اینورتر را اندازه گرفته‌اید و عدد قشنگی دیده‌اید، آن عدد را باور نکنید؛ ابزار مقدار مؤثر واقعی لازم دارید.
پیشنهاد عملی ما این است که در پروژه‌ای که جریمه ضریب توان روی میز است، قبل و بعد از نصب اینورترها اندازه‌گیری کنید و حرفتان را روی همان اندازه‌گیری بگذارید. کاتالوگ در این یکی به کارتان نمی‌آید. زیاد دیده‌ایم که سر همین یک عدد بحث به جای بدی کشیده شده.
هزینه اصلی هارمونیک، در ترانس و کابل خودتان است
از جریمه مهم‌تر، چیزی است که آن جریان اضافه در تأسیسات خودتان می‌کند. و این بخش برای یک مهندس طراح از همه بخش‌های قبلی مهم‌تر است، چون در مرحله انتخاب تجهیز ظاهر می‌شود و بعد از خرید اصلاحش گران است.
در کابل، جریان هارمونیکی بیشتر از آنچه مقدار مؤثرش نشان می‌دهد سیم را گرم می‌کند. دلیلش اثر پوستی است: با بالا رفتن فرکانس، جریان به سمت لایه بیرونی هادی رانده می‌شود و مقطع مؤثر کم می‌شود، یعنی مقاومتی که مؤلفه مرتبه هفتم می‌بیند از مقاومتی که مؤلفه اصلی می‌بیند بیشتر است. برای کابل‌های با مقطع بزرگ این اثر محسوس‌تر است.
در ترانس وضع بدتر است و الگویش هم تندتر. تلفات ادی در ترانس با مربع مرتبه هارمونیک بالا می‌رود. یعنی مؤلفه مرتبه پنجم، به اندازه جریان واحد، بیست‌وپنج برابر مؤلفه اصلی در این بخش از تلفات سهم دارد و مرتبه هفتم چهل‌ونه برابر. حتی اگر دامنه این مؤلفه‌ها کسر کوچکی از مؤلفه اصلی باشد، آن ضریب مربعی کسر کوچک را به عددی تبدیل می‌کند که در محاسبه تلفات باید دیده شود.
نتیجه عملی‌اش این است که ترانسی که بار غالبش درایو است، از ظرفیت پلاکش کمتر برمی‌دارد. پلاک ترانس برای بار سینوسی نوشته شده و شما دارید باری به آن می‌دهید که نیست. اگر در یک خط تولید دارید چند ده اینورتر می‌گذارید، این دیگر بحث قبض نیست، بحث انتخاب ترانس است. جایش هم همان مرحله طراحی است. بعد از اینکه ترانس داغ کرد، کار از حساب‌وکتاب گذشته.
یک اثر دیگر که کمتر گفته می‌شود و در کارخانه‌های با باس مشترک واقعاً دیده می‌شود. مؤلفه مرتبه پنجم از نوع توالی منفی است، یعنی میدانی می‌سازد که در جهت عکس میدان اصلی می‌چرخد. موتور مستقیمی که روی همان باس معوج کار می‌کند، یک گشتاور مخالف کوچک و یک گرمای اضافه می‌گیرد که در هیچ محاسبه‌ای لحاظ نشده. پس مشکل هارمونیک فقط مشکل خود درایو نیست؛ به تجهیزاتی تحمیل می‌شود که هیچ ربطی به آن ندارند، و آن تجهیزات هم هیچ آلارمی برای این موضوع ندارند.
آیا پس از مطالعه این مقاله، سوال یا چالشی در تنظیمات دارید؟
متخصصان شرکت نورسا الکتریک آماده ارائه مشاوره رایگان هستند.
