پاور آنالایزر | هارمونیک

در این مقاله به بررسی آنالیز توان و ابزارهای مورد استفاده برای انجام آن خواهیم پرداخت. در این مقاله خواهید دید:

• مفهوم توان الکتریکی چیست؟
• چرا به  تحلیل توان الکتریکی  نیاز داریم و چگونه محاسبه می شود؟
• نحوه انجام آنالیز توان الکتریکی و تحلیلگر توان چیست؟

آنالیز توان چیست؟

توان ، میزان انجام کار است، یعنی مقدار انرژی مصرف شده در واحد زمان. توان یک سیستم الکتریکی ضرب ولتاژ با جریان یکنواخت شده و سپس تقسیم در زمان متناوب است. زمان تناوبی (برابر فرکانس) باید برای محاسبه توان یک سیستم الکتریکی شناخته شود. "تجزیه و تحلیل توان" به سادگی روشی است که با استفاده از آنالایزر توان آزمایش و مطالعه می شود.

پاور آنالایزر چیست؟

تحلیلگر توان ابزاری است که میزان جریان برق را در سیستم های الکتریکی اندازه گیری و کمیت می کند. جریان توان بر حسب ژول در ثانیه (J/s) یا کیلووات در ساعت (کیلووات بر ساعت) بیان می شود. توان الکتریکی میزان انتقال انرژی الکتریکی در یک سیستم الکتریکی بین دو نقطه در واحد زمان است.

توان الکتریکی چیست؟

اگر دقت کرده باشید ، شما می توانید به یک مدار الکتریکی نگاه کنید، اما نمی توانید ببینید که آیا ولتاژ وجود دارد یا جریانی در جریان است. امیدوارم برای درک این مطلب که آیا جریان و ولتاژی در مدار بر قرار است یا خیر ، دست خود را دراز نکنید تا پاسخی به سوال داده باشید ، زیرا این بسیار خطرناک و احتمالاً کشنده است. بنابراین ما باید از ابزار صحیح برای اندازه گیری برق استفاده کنیم.

بنابراین چگونه می توانیم الکتریسیته را در حال حرکت در مدار تجسم کنیم؟ خوب، ما می توانیم حرکت آب را ببینیم، بنابراین اجازه دهید از آن به عنوان یک قیاس برای توضیح نحوه عملکرد مدارهای الکتریکی استفاده کنیم. این یک واقعیت شناخته شده است که اگر قرار است آب از یک لوله خارج شود، آب باید دارای یک نیرو یا "فشار" باشد که آن را از گرانش یا یک پمپ مکانیکی فشار می دهد.

در این مثالی که آوردیم :

ولتاژ ، فشاری است که آب را وارد لوله می کند. هرچه فشار بیشتر باشد آب سریعتر جریان می یابد. این در ولت (V) اندازه گیری می شود. جریان ، حجم موجود برای جریان آب است. هر چه حجم بیشتر باشد، آب بیشتری می تواند جریان یابد. این با آمپر (A) اندازه گیری می شود. مقاومت ، کاهش حجم داخل لوله است که جریان آب را محدود می کند. این در اهم (R یا Ω) اندازه گیری می شود.

اگر جریان فقط در یک جهت حرکت کند، بسیار شبیه آبی است که از طریق لوله یا شلنگ جریان می یابد. این DC (جریان مستقیم) در مثال ما است. با این حال، اگر جریان به جلو و عقب حرکت کند، آنگاه با AC (جریان متناوب) مشابه است. برق متناوب همان چیزی است که ما برای انتقال برق در فواصل طولانی از نیروگاه به خانه ها و مشاغل خود استفاده می کنیم. برق DC برای الکترونیک مدرن و همچنین باتری ها استفاده می شود.

کمی سازی توان الکتریکی

در فیزیک، توان الکتریکی میزان انجام کار است. معادل مقدار انرژی مصرف شده در واحد زمان است. واحد توان ژول بر ثانیه (J/s) است که به عنوان وات (W) نیز شناخته می شود.  بنابراین ، توان الکتریکی میزان انتقال انرژی الکتریکی در یک سیستم الکتریکی بین دو نقطه در واحد زمان است. قانون اول ترمودینامیک بیان می کند:

که انرژی ایجاد یا از بین نمی رود. صرفاً می تواند از یک نوع انرژی به نوع دیگر تبدیل شود یا منتقل شود. از آنجایی که هیچ سیستم الکتریکی ایده آلی وجود ندارد، هنگام انتقال انرژی همیشه مقداری تلفات وجود خواهد داشت. رایج ترین شکل اتلاف در یک سیستم الکتریکی گرما است. اگر مداری از نظر فیزیکی گرم باشد، به این معنی است که مقداری از انرژی که حمل می کند به گرما تبدیل می شود و بنابراین نمی توان از آن برای انجام کارهای مفید استفاده کرد. این باعث کاهش راندمان کلی سیستم الکتریکی می شود. تصادفی نیست که سیستم های مکانیکی نیز گرما تولید می کنند - دست خود را روی یک لامپ رشته ای روشن قرار ندهید، در غیر این صورت مستقیماً تبدیل انرژی به گرما را تجربه خواهید کرد!. به طور کلی توان الکتریکی فقط بسط فیزیک پایه ی برق است. به طور معمول توان الکتریکی بر حسب کیلووات بیان می شود.

چگونه توان الکتریکی را محاسبه کنیم؟

مقدار توان در یک مدار با ضرب ولتاژ (V) در جریان (A) محاسبه می شود که وات (W) را با استفاده از معادله زیر بدست می آورد:

این معادله اصلی را می توان با استفاده از قانون اهم تبدیل کرد، که بیان می کند جریانی که از مقاومت خطی عبور می کند با ولتاژ نسبت مستقیم و با مقاومت مدار الکتریکی در دمای ثابت نسبت معکوس دارد. قانون اهم را می توان به چند روش نوشت. اما قانون اهم فقط برای جریان مستقیم (DC) صادق است، جایی که جریان ولتاژ و جریان ثابت است. اما با جریان متناوب (AC)، معادلات قانون اهم توان را تنها در یک لحظه در زمان تولید می کند. بنابراین ما به روش متفاوتی برای اندازه گیری AC نیاز داریم. اگر بخواهیم مشخصات آن را تجزیه و تحلیل کنیم، به معادله ای نیاز داریم که به طور دقیق توان الکتریکی را توصیف کند. خوشبختانه چنین معادله ای وجود دارد:

جایی که :

• P توان بر حسب وات (W) است.
• جریان من در آمپر (A) است.
• u ولتاژ بر حسب ولت (V) است.
• T زمان تناوبی بر حسب ثانیه است.

بیایید این معادله را روی یک نمودار تجسم کنیم:

با نگاهی به انحنای شکل‌ های موج در تصویرسازی، می‌توان دید که توان در یک سیستم AC فقط ولتاژ ضرب در جریان مانند یک سیستم DC نیست. با میانگین زمانی توان لحظه ای در یک سیکل تعریف می شود. این بدان معناست که برای محاسبه توان یک سیستم الکتریکی باید فرکانس را بدانیم.

درک قدرت اندازه گیری

اصولاً سه نوع توان در سیستم های الکتریکی جریان متناوب (AC) وجود دارد که باید اندازه گیری شوند. اینها هستند:

1. توان فعال (P)
2. توان راکتیو (Q)
3. توان ظاهری (S)

برای نشان دادن رابطه بین آنها ابزار مفیدی وجود دارد که می‌توانیم از آن استفاده کنیم، به نام مثلث قدرت، بر اساس قضیه فیثاغورث:

و به این عبارات و معنای واقعی آنها نگاه عمیق‌تری می‌کنیم:

توان فعال (P) چیست؟

توان اکتیو (P) همچنین به عنوان "قدرت واقعی" یا "توان فعال" شناخته می شود، توان مفیدی است که در مدار AC استفاده می شود.

توان راکتیو چیست (Q)؟

توان راکتیو (Q) استفاده نمی شود، اما بین منبعی مانند نیروگاه و بار حمل می شود، عمدتاً برای انتقال توان اکتیو از طریق سیستم الکتریکی استفاده می شود.

توان ظاهری (S) چیست؟

توان ظاهری (S) مجموع برداری توان فعال و راکتیو در یک سیستم قدرت AC است.

ضریب توان (PF) چیست؟

ضریب توان (PF) نسبت بین توان فعال و ظاهری است و می تواند مقادیری بین 1 و -1 بگیرد. ضریب توان نشان دهنده مقدار توان اکتیو موجود در خط انتقال در مقایسه با توان ظاهری است که هم توان اکتیو و هم توان راکتیو را ترکیب می کند. به عبارت دیگر، عاملی است که توسط آن توان مفید در خط انتقال کمتر از حداکثر توان ممکن از نظر تئوری است. کاهش در ضریب توان از لحاظ نظری ایده آل به دلیل خارج بودن ولتاژ و جریان است. ضریب توان اغلب به صورت "cos phi"، "cosine phi" یا "cos 𝜑" نشان داده می شود. توان راکتیو می تواند مثبت یا منفی باشد که با علامت مثبت یا منفی زاویه فی (𝜑) نشان داده می شود. این به ما می گوید که آیا جریان ولتاژ را هدایت می کند یا اینکه در خط انتقال از ولتاژ عقب مانده است.

هنگامی که مقدار توان راکتیو مثبت است، عقب می ماند، که نشان دهنده یک بار القایی است که توان راکتیو را مصرف می کند. هنگامی که مقدار توان راکتیو منفی است، نشان دهنده یک بار خازنی است که توان راکتیو را ارائه می دهد. بارهای اهمی خالص، مانند لامپ های رشته ای سنتی، دارای ضریب توان بسیار نزدیک به 1 هستند. این بدان معناست که ولتاژ و جریان در فاز هستند، بنابراین توان راکتیو بسیار کمی در خط انتقال وجود دارد. با فاکتورهای توان مثبت، هرچه به صفر نزدیکتر شوند، اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان بیشتر است و توان راکتیو بیشتری در خط انتقال وجود دارد. این مشابه ضریب توان منفی است، درست در جهت مخالف: در PF = -1 اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان 180 درجه است.

 تفاوت توان الکتریکی و انرژی الکتریکی چیست؟

اصطلاحات "انرژی الکتریکی" و "قدرت الکتریکی" قابل تعویض نیستند، زیرا آنها یک چیز نیستند. با استفاده از قیاس آب قبلی ما، به راحتی می توان این تفاوت را نشان داد:

توان اساساً نرخ جریان آب در شیلنگ بر اساس فشار و حجم آن است. توان الکتریکی بر حسب وات (W)، کیلووات (کیلووات) و مگاوات (MW) اندازه گیری می شود. انرژی مقدار آبی است که در مدت زمان معینی از شیلنگ عبور می کند. به همین دلیل است که قبض برق شما بر حسب کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) داده می شود.

چرا قدرت را اندازه گیری می کنیم؟

به قول مشاور مدیریت مشهور جهان، پیتر دراکر: "اگر نتوانید آن را اندازه گیری کنید، نمی توانید آن را مدیریت کنید".

اندازه گیری ولتاژ و جریان تنها گام اولیه برای تجزیه و تحلیل یک سیستم الکتریکی است و به راحتی می توان آن را با هر آنالایزر قدرت یا پاور متر موجود در بازار انجام داد. اما برای مدیریت موفقیت آمیز چیزی، تا حد امکان به اطلاعات بیشتری نیاز است. این دقیقاً همان کاری است که یک پاور آنالایزر برای انجام آن طراحی شده است. آنالایزرهای قدرت انجام آنالیز پیچیده هر سیستم الکتریکی را تنها با چند عملیات برای کاربر آسان می کند.

همانطور که برق و نیرو اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند، بسیار مهم است که بتوان آن را با بالاترین استانداردهای ممکن اندازه‌گیری و مدیریت کرد تا اطمینان حاصل شود که منبع تغذیه ادامه دارد و تجهیزاتی که با استفاده از آن کار می‌کنند قابل اعتماد، ایمن و کارآمد هستند. از خود تولید انرژی گرفته تا مرحله انتقال که آن را به خانه ها و مشاغل ما می آورد، تحلیلگرهای قدرت برای انجام اندازه گیری های دقیق و جامع بسیار مهم هستند. اندازه گیری قدرت با بالاترین سطح دقت ممکن به دلایل مختلف مهم است:

• برای تحقیق و توسعه برای افزایش عملکرد محصولات و خدمات
• برای افزایش بهره وری انرژی
• کاهش هزینه و زمان مصرف
• انطباق با استانداردهای ملی و بین المللی
• اطمینان از ایمنی محصولات و اپراتورها

پاور آنالایزرها چه کاری انجام می دهند؟

آنالایزرهای قدرت طیف وسیعی از آزمایش ها و اندازه گیری ها را بر روی قطعات، مدارها و سیستم های الکتریکی انجام می دهند. برخی از رایج ترین تحلیل هایی که انجام می شود عبارتند از:

تجزیه و تحلیل جریان بار برای تعیین اجزای یک سیستم قدرت استفاده می شود که شامل بزرگی ولتاژ، مقدار جریان، زاویه فاز phi سیستم، توان اکتیو، توان راکتیو، توان ظاهری و ضریب توان در یک عملیات حالت پایدار است. علاوه بر این، برای بارهای غیر خطی، توان راکتیو اعوجاج و همچنین توان راکتیو هارمونیک باید اندازه‌گیری و تحلیل شوند. در تئوری، ولتاژ و جریان دارای موج سینوسی کامل 50 هرتز در اروپا (و 60 هرتز بیشتر در آمریکای شمالی و جنوبی) هستند. این در صورتی است که فقط بارهای خطی اهمی خالص به شبکه متصل باشند (مانند لامپ های رشته ای، بخاری های الکتریکی، الکتروموتورهای AC و غیره). مثلث قدرتی که قبلا نشان داده شد فقط برای بارهای اهمی صادق است، اما در حال حاضر، بارهای غیرخطی و همچنین واحدهای تولید غیرخطی بیشتر و بیشتر به شبکه متصل هستند. این یک بعد جدید به مثلث قدرت یعنی اعوجاج و توان راکتیو هارمونیک وارد کرده است. بیایید نگاهی به مثلث توان الکتریکی جدید بیندازیم:

در مثال زیر، ولتاژ خط برق AC را به سیستم تغذیه می کند و یکسو کننده سوئیچینگ آن را به برق DC مورد نیاز LED تبدیل می کند. به نمودار شماتیک تنظیم اندازه گیری نگاهی بیندازید:

در حال حاضر، بارهای غیرخطی (واحدهای بالاست، یکسو کننده‌ها، اینورترها، رایانه‌های شخصی و غیره) و همچنین واحدهای تولید غیرخطی (بادی، خورشیدی و سایر اشکال تولید انرژی) به شبکه متصل می‌شوند. بنابراین، شکل موج ولتاژ و جریان مخدوش هستند و شکل موج سینوسی ایده آل نیستند. بنابراین، تجزیه و تحلیل هارمونیک برای تعیین اثراتی که این بارهای غیرخطی بر جریان و ولتاژ در یک سیستم الکتریکی دارند، ضروری است. تجزیه و تحلیل اتصال کوتاه برای ارائه اطلاعات در مورد تمام سناریوهای عملیاتی احتمالی سیستم الکتریکی و تعیین ظرفیت تک تک اجزای سیستم برای تداخل یا مقاومت در برابر شدت جریان در مدار انجام می شود. تجزیه و تحلیل هماهنگی برای پشتیبانی از توسعه حفاظت جریان اضافه استفاده می شود. برای ایجاد محدوده عملیاتی ایده آل، ویژگی های دستگاه حفاظتی، از جمله اندازه و تنظیمات آن را در نظر می گیرد.