کیفیت توان الکتریکی به مجموعه‌ای از ویژگی‌ها و پارامترهای برق تحویلی به مصرف‌کننده اشاره دارد که عملکرد صحیح و پایدار تجهیزات الکتریکی را تضمین می‌کند. در یک سیستم ایده‌آل، شکل موج ولتاژ و جریان باید کاملاً سینوسی، با دامنه و فرکانس ثابت و بدون هیچگونه اعوجاجی باشند. هرگونه انحراف از این شرایط ایده‌آل، به عنوان مشکل کیفیت توان تلقی می‌شود.

پارامترهای اصلی کیفیت توان: جزئیات و اهمیت

1. ضریب توان (Power Factor - PF)

   ضریب توان، نسبت توان اکتیو (کارا) به توان ظاهری (کل) در یک مدار AC است. این عدد بین ۰ تا ۱ متغیر است و نشان‌دهنده کارایی مصرف توان الکتریکی است. ضریب توان پایین به معنای اتلاف انرژی بیشتر و هزینه‌های بالاتر است. برای مثال، یک PF برابر ۰.۸ به این معنی است که تنها ۸۰% توان دریافتی برای انجام کار مفید استفاده می‌شود.

   $PF = P / S$
2. اعوجاج هارمونیکی کل (Total Harmonic Distortion - THD)

   THD معیاری برای سنجش میزان انحراف شکل موج ولتاژ یا جریان از حالت سینوسی خالص است. این اعوجاج ناشی از وجود هارمونیک‌ها (مؤلفه‌های فرکانسی مضرب صحیح فرکانس اصلی) است. THD بالا می‌تواند باعث گرم شدن بیش از حد تجهیزات، خرابی خازن‌ها، و عملکرد نادرست سیستم‌های حفاظتی شود.

   $$THD = \frac{\sqrt{\sum_{h=2}^{N} V_h^2}}{V_1} \times 100\%$$
3. نوسانات ولتاژ (Voltage Fluctuations) و افت/افزایش ولتاژ (Sags & Swells)

   نوسانات ولتاژ به تغییرات دامنه ولتاژ نسبت به مقدار نامی اشاره دارد. افت ولتاژ (Sag) کاهش موقت ولتاژ و افزایش ولتاژ (Swell) افزایش موقت آن است. این اختلالات می‌توانند منجر به عملکرد نادرست، ریست شدن تجهیزات حساس، و حتی آسیب دائمی به آن‌ها شوند.

4. تلفات (Losses)

   تلفات به انرژی الکتریکی اطلاق می‌شود که در طول انتقال، توزیع یا مصرف در سیستم به گرما تبدیل شده و به هدر می‌رود. این تلفات شامل تلفات مقاومتی (مس)، تلفات هسته (در ترانسفورماتورها) و تلفات ناشی از هارمونیک‌ها و ضریب توان پایین است. کاهش تلفات به معنای افزایش راندمان و کاهش هزینه‌ها است.

کیفیت توان به دلایل زیر اهمیت حیاتی دارد و عدم توجه به آن می‌تواند پیامدهای جدی داشته باشد:

• افزایش راندمان و کاهش مصرف انرژی: برق با کیفیت پایین، باعث هدر رفت انرژی در تجهیزات شده و بازدهی آن‌ها را کاهش می‌دهد.
• جلوگیری از آسیب به تجهیزات حساس الکترونیکی: دستگاه‌های مدرن، به ویژه میکروپردازنده‌ها، UPSها و تجهیزات پزشکی، به نوسانات ولتاژ، هارمونیک‌ها و اختلالات فرکانسی بسیار حساس‌اند و ممکن است آسیب ببینند یا دچار خرابی زودرس شوند.
• کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری: خرابی‌های مکرر تجهیزات ناشی از کیفیت توان پایین، هزینه‌های تعمیر و تعویض را به شدت افزایش می‌دهد.
• بهبود قابلیت اطمینان سیستم: سیستم‌های با کیفیت توان مناسب، کمتر دچار خاموشی‌های ناخواسته، وقفه در تولید یا اختلال در خدمات می‌شوند.
• رعایت استانداردهای شبکه برق: شرکت‌های توزیع برق و نهادهای نظارتی، استانداردهایی را برای کیفیت توان تعیین کرده‌اند که عدم رعایت آن‌ها می‌تواند منجر به جریمه‌های مالی شود.

بهبود کیفیت توان یک فرآیند سیستماتیک است که شامل شناسایی مشکلات و اعمال راهکارهای مناسب می‌شود. راهکارهای اصلی بهبود کیفیت توان عبارتند از:

1. نصب بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان: خازن‌ها توان راکتیو مورد نیاز بارهای سلفی (مانند موتورها) را تأمین کرده و ضریب توان را به واحد نزدیک می‌کنند. این کار باعث کاهش جریان کشیده شده از شبکه و کاهش تلفات می‌شود.
2. استفاده از فیلترهای هارمونیک: فیلتر‌ها (فعال یا غیرفعال) هارمونیک‌های تولید شده توسط بارهای غیرخطی را حذف یا کاهش می‌دهند و شکل موج ولتاژ و جریان را به حالت سینوسی بازمی‌گردانند.
3. نصب UPS (منبع تغذیه بدون وقفه) و استابلایزر: UPSها علاوه بر تأمین برق اضطراری، ولتاژ خروجی را تثبیت کرده و از تجهیزات در برابر افت/افزایش ولتاژ و نویز محافظت می‌کنند. استابلایزرها نیز به تثبیت ولتاژ کمک می‌کنند.
4. بهینه‌سازی توزیع بار و کابل‌کشی: توزیع متعادل بار بین فازها در سیستم‌های سه فاز، و استفاده از کابل‌های با مقطع مناسب، می‌تواند تلفات را کاهش داده و کیفیت ولتاژ را بهبود بخشد.
5. استفاده از ترانسفورماتورهای با تلفات کم و عایق‌بندی مناسب: ترانسفورماتورهای مدرن با طراحی بهینه، تلفات هسته و مس کمتری دارند.
6. متناسب‌سازی توان موتورها با بار: استفاده از موتورهای الکتریکی با راندمان بالا و اطمینان از اینکه توان موتور با بار مورد نیاز متناسب است، از اتلاف انرژی و کاهش ضریب توان جلوگیری می‌کند.

ضریب توان یکی از مهم‌ترین شاخص‌های کیفیت توان است که نشان می‌دهد تا چه حد از توان الکتریکی شبکه به صورت مفید و کارا استفاده می‌شود. این پارامتر به خصوص در سیستم‌های صنعتی و تجاری که دارای بارهای سلفی زیادی (مانند موتورها، ترانسفورماتورها) هستند، اهمیت دوچندانی پیدا می‌کند.

نحوه محاسبه ضریب توان و توان راکتیو مورد نیاز برای بهبود:

1. ۱. اندازه‌گیری توان‌های فعلی

   با استفاده از آنالایزرهای کیفیت توان یا کنتورهای هوشمند، توان اکتیو ($P$) و توان ظاهری ($S$) را در محل مصرف اندازه‌گیری کنید. این مقادیر، اساس محاسبات بعدی خواهند بود.

2. ۲. محاسبه ضریب توان فعلی

   ضریب توان فعلی را با تقسیم توان اکتیو بر توان ظاهری به دست آورید: $PF_{current} = P / S$

3. ۳. تعیین توان راکتیو فعلی

   توان راکتیو فعلی ($Q_1$) را می‌توان از طریق رابطه مثلث توان به دست آورد: $Q_1 = P \times \tan(\arccos(PF_{current}))$

4. ۴. محاسبه توان راکتیو هدف

   یک ضریب توان هدف (معمولاً ۰.۹۵ تا ۰.۹۸) را انتخاب کنید. سپس توان راکتیو مورد نیاز برای رسیدن به این ضریب توان ($Q_2$) را محاسبه کنید: $Q_2 = P \times \tan(\arccos(PF_{target}))$

5. ۵. محاسبه ظرفیت خازن مورد نیاز

   ظرفیت بانک خازنی مورد نیاز برای اصلاح ضریب توان، با تفاضل $Q_1$ و $Q_2$ به دست می‌آید: $Q_{capacitor} = Q_1 - Q_2$. این مقدار به کیلووار (kVAR) بیان می‌شود.

ضریب توان پایین نه تنها بر راندمان کلی سیستم قدرت تأثیر منفی می‌گذارد، بلکه مشکلات فنی و اقتصادی متعددی را نیز ایجاد می‌کند:

1. افزایش تلفات در شبکه توزیع: برای انتقال همان مقدار توان اکتیو، جریان بیشتری باید در خطوط جاری شود، که منجر به افزایش تلفات انرژی (به صورت حرارت) در کابل‌ها و ترانسفورماتورها می‌شود. این تلفات مستقیماً به هدر رفت انرژی و افزایش قبض برق می‌انجامد.
2. افزایش هزینه‌های برق مصرفی: بسیاری از شرکت‌های برق، مشترکین با ضریب توان پایین را جریمه می‌کنند یا بر اساس توان ظاهری ($kVA$) که از شبکه می‌کشند، هزینه دریافت می‌کنند نه فقط توان اکتیو ($kW$).
3. کاهش ظرفیت انتقال توان مفید: تجهیزات شبکه برق (ترانسفورماتورها، کابل‌ها، ژنراتورها) دارای ظرفیت نامی بر حسب $kVA$ هستند. با ضریب توان پایین، بخش بزرگی از این ظرفیت به انتقال توان راکتیو اختصاص می‌یابد و ظرفیت مفید برای انتقال توان اکتیو کاهش می‌یابد. این ممکن است نیاز به ارتقاء پرهزینه زیرساخت را ایجاد کند.
4. جریمه از طرف شرکت برق: در بسیاری از کشورها و مناطق، قوانین و مقرراتی برای حداقل ضریب توان مجاز (مثلاً $0.9$ پس‌فاز) وجود دارد. در صورت کاهش ضریب توان به زیر این حد، مصرف‌کنندگان مشمول جریمه‌های سنگین مالی می‌شوند.
5. افزایش افت ولتاژ: جریان بالاتر ناشی از ضریب توان پایین، باعث افت ولتاژ بیشتری در طول خطوط و کابل‌ها می‌شود که می‌تواند به عملکرد نادرست تجهیزات در انتهای خط منجر شود.
6. کاهش عمر مفید تجهیزات: افزایش جریان و دمای ناشی از ضریب توان پایین، می‌تواند به گرم شدن بیش از حد تجهیزات، کاهش عمر مفید عایق‌ها و خرابی زودرس آن‌ها (مانند موتورها و ترانسفورماتورها) منجر شود.

اصلاح ضریب توان (Power Factor Correction - PFC) با هدف کاهش توان راکتیو مصرفی از شبکه و نزدیک کردن ضریب توان به واحد (۱) انجام می‌شود. روش‌های متداول عبارتند از:

1. نصب بانک خازنی:

   این رایج‌ترین و موثرترین روش برای جبران توان راکتیو سلفی است.

   • خازن‌های ثابت: برای بارهای ثابت و بدون تغییر که توان راکتیو ثابتی نیاز دارند.
   • بانک خازنی اتوماتیک (APFC): برای بارهای متغیر (مانند کارخانجات) که توان راکتیو آن‌ها در طول زمان تغییر می‌کند. این سیستم به صورت هوشمند خازن‌ها را وارد یا خارج از مدار می‌کند.
   • محاسبه دقیق ظرفیت مورد نیاز: برای جلوگیری از جبران‌سازی بیش از حد (که می‌تواند باعث ضریب توان پیش‌فاز و مشکلات دیگر شود).
2. بهینه‌سازی موتورها:

   موتورهای القایی از مصرف‌کننده‌های اصلی توان راکتیو هستند.

   • استفاده از موتورهای با راندمان بالا: موتورهای IE3 و IE4 دارای راندمان انرژی و ضریب توان بالاتری هستند.
   • متناسب‌سازی توان موتور با بار: موتوری که با بار کمتر از ظرفیت نامی خود کار می‌کند، ضریب توان پایین‌تری خواهد داشت.
   • تعمیر و نگهداری منظم: تمیزکاری و روغن‌کاری موتورها به حفظ راندمان آن‌ها کمک می‌کند.
3. مدیریت بار:

   برنامه‌ریزی و توزیع صحیح بارها در شبکه:

   • توزیع متعادل بار بین فازها: در سیستم‌های سه فاز، عدم تعادل بار باعث افزایش جریان در نول و کاهش ضریب توان می‌شود.
   • حذف یا اصلاح تجهیزات معیوب: تجهیزات قدیمی یا آسیب‌دیده می‌توانند منابع اصلی توان راکتیو و هارمونیک باشند.
   • برنامه‌ریزی زمان استفاده از تجهیزات: استفاده همزمان از بارهای سلفی زیاد می‌تواند به شدت ضریب توان را کاهش دهد.
4. استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) با فیلترهای PFC داخلی:

   VFDها برای کنترل سرعت موتورها استفاده می‌شوند و در گذشته می‌توانستند منابع هارمونیک باشند، اما مدل‌های جدیدتر با قابلیت PFC داخلی، به بهبود ضریب توان نیز کمک می‌کنند.

   • کنترل سرعت موتورها: بهبود راندمان موتور در بارهای متغیر.
   • کاهش جریان راه‌اندازی: جلوگیری از افت ولتاژ لحظه‌ای.
5. نصب فیلترهای هارمونیکی:

   در حضور هارمونیک‌های بالا، نصب صرف خازن می‌تواند منجر به رزونانس و تشدید مشکلات شود. در این موارد، استفاده از فیلترهای هارمونیک ضروری است.

   • کاهش اثرات هارمونیکی: جلوگیری از گرم شدن تجهیزات و اختلالات.
   • بهبود کیفیت توان: بازیابی شکل موج سینوسی و افزایش راندمان.

یک محاسبه‌گر ضریب توان یک ابزار تحلیلی قدرتمند است که به کاربران اجازه می‌دهد تا وضعیت فعلی ضریب توان خود را ارزیابی کرده و تأثیر اقتصادی اصلاح آن را پیش‌بینی کنند. این محاسبه‌گر در چند مرحله کلیدی عمل می‌کند:

1. ۱. ورود داده‌های اولیه:

   کاربر باید اطلاعات مربوط به سیستم الکتریکی خود را وارد کند:

   1. توان اکتیو (کیلووات - $kW$): میزان توان مصرفی واقعی تجهیزات.
   2. توان ظاهری (کیلوولت‌آمپر - $kVA$): کل توانی که از شبکه کشیده می‌شود. (اگر این مقدار در دسترس نباشد، برخی محاسبه‌گرها می‌توانند آن را از جریان و ولتاژ محاسبه کنند).
   3. ضریب توان هدف: ضریب توانی که می‌خواهید به آن دست یابید (مثلاً $0.95$ یا $0.98$).
   4. تعرفه برق مصرفی: هزینه هر کیلووات‌ساعت ($kWh$) برق.
   5. ساعات کارکرد: تعداد ساعاتی که سیستم در طول روز، ماه یا سال کار می‌کند.
   6. اطلاعات دیگر: ممکن است شامل نوع تعرفه (پیک/غیرپیک)، هزینه‌های ثابت، یا نرخ جریمه باشد.
2. ۲. محاسبات اصلی:

   محاسبه‌گر با استفاده از فرمول‌های الکتریکی، محاسبات لازم را انجام می‌دهد:

   1. محاسبه ضریب توان فعلی: اگر توان ظاهری وارد شده باشد، $PF_{current} = P / S$ محاسبه می‌شود.
   2. تعیین توان راکتیو مورد نیاز: محاسبه مقدار توان راکتیو ($kVAR$) که باید به سیستم تزریق شود تا ضریب توان به مقدار هدف برسد. $Q_{capacitor} = P \times (\tan(\arccos(PF_{current})) - \tan(\arccos(PF_{target})))$
   3. برآورد هزینه‌های انرژی فعلی و پس از اصلاح: شامل هزینه توان اکتیو و جریمه‌های احتمالی.
   4. محاسبه صرفه‌جویی اقتصادی: تفاوت بین هزینه‌های قبل و بعد از اصلاح ضریب توان.
3. ۳. نمایش نتایج و تحلیل:

   نتایج به صورت واضح و قابل فهم برای کاربر نمایش داده می‌شود:

   1. ظرفیت خازن مورد نیاز: مقدار $kVAR$ خازن یا بانک خازنی که باید نصب شود.
   2. تحلیل هزینه-فایده: مقایسه هزینه نصب تجهیزات اصلاحی با صرفه‌جویی‌های حاصل از آن.
   3. دوره بازگشت سرمایه ($ROI$): مدت زمانی که طول می‌کشد تا صرفه‌جویی‌های حاصل، هزینه اولیه نصب را جبران کند.
   4. نمودارهای مقایسه‌ای: نمایش بصری بهبود ضریب توان و کاهش هزینه‌ها.
   5. توصیه‌های فنی: پیشنهاداتی برای انتخاب نوع خازن یا سیستم APFC.

هارمونیک‌ها یکی از پیچیده‌ترین و مخرب‌ترین مشکلات کیفیت توان هستند که می‌توانند اثرات گسترده‌ای بر تجهیزات و راندمان سیستم‌های الکتریکی داشته باشند. با افزایش استفاده از بارهای غیرخطی در صنایع و حتی منازل، حضور هارمونیک‌ها در شبکه‌های برق رو به افزایش است.

نحوه محاسبه THD (Total Harmonic Distortion):

برای محاسبه THD، نیاز به اندازه‌گیری دامنه‌ی ولتاژ یا جریان هر هارمونیک و دامنه‌ی مؤلفه‌ی اصلی (فرکانس پایه) داریم:

1. ۱. اندازه‌گیری دامنه هارمونیک‌ها

   با استفاده از آنالایزرهای کیفیت توان (Power Quality Analyzer) یا اسیلوسکوپ‌های پیشرفته، دامنه RMS هر هارمونیک ($V_h$) تا مرتبه ۵۰ (یا بالاتر) و همچنین دامنه RMS مؤلفه اصلی ($V_1$) را اندازه‌گیری کنید.

2. ۲. محاسبه مجموع مربعات هارمونیک‌ها

   مربع دامنه هر هارمونیک را محاسبه کرده و آن‌ها را با هم جمع کنید: $\Sigma V_h^2 = V_2^2 + V_3^2 + V_4^2 + ... + V_{50}^2$

3. ۳. اعمال فرمول THD

   THD با فرمول زیر محاسبه می‌شود:

   $$THD = \frac{\sqrt{\sum_{h=2}^{N} V_h^2}}{V_1} \times 100\%$$

   در اینجا، $V_h$ دامنه هارمونیک مرتبه h و $V_1$ دامنه مؤلفه اصلی (فرکانس پایه) است. $N$ معمولاً تا مرتبه ۵۰ یا بالاتر در نظر گرفته می‌شود.

هارمونیک‌ها توسط "بارهای غیرخطی" تولید می‌شوند. بار غیرخطی به باری گفته می‌شود که جریان کشیده شده از آن، متناسب با شکل موج ولتاژ اعمال شده نباشد (یعنی مقاومت آن در طول سیکل تغییر کند). منابع اصلی هارمونیک عبارتند از:

1. تجهیزات الکترونیک قدرت:
   • درایوهای دور متغیر (VFD): برای کنترل سرعت موتورها استفاده می‌شوند.
   • یکسوکننده‌ها و اینورترها: تبدیل AC به DC یا بالعکس.
   • منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS): رایج در کامپیوترها، سرورها، و بسیاری از لوازم الکترونیکی.
   • شارژرهای باتری: برای خودروهای برقی، تجهیزات صنعتی و دستگاه‌های شخصی.
   • UPSها (منابع تغذیه بدون وقفه): به ویژه مدل‌های قدیمی‌تر یا با طراحی ساده‌تر.
2. تجهیزات روشنایی:
   • لامپ‌های LED: به دلیل استفاده از درایورهای الکترونیکی.
   • لامپ‌های فلورسنت با باللاست الکترونیکی: باللاست‌های الکترونیکی باعث اعوجاج جریان می‌شوند.
   • لامپ‌های کم مصرف (CFL): عملکرد مشابه لامپ‌های فلورسنت.
   • سیستم‌های کنترل روشنایی (دیمرها): به دلیل برش شکل موج.
3. تجهیزات کامپیوتری و اداری:
   • کامپیوترها و سرورها: منابع تغذیه داخلی آن‌ها غیرخطی هستند.
   • پرینترها و اسکنرها: به خصوص مدل‌های لیزری.
   • دستگاه‌های کپی و فکس.
4. تجهیزات صنعتی:
   • دستگاه‌های جوش‌کاری برقی: به ویژه جوش‌های قوس الکتریکی.
   • کوره‌های القایی: برای گرمایش مواد در صنایع.
   • دستگاه‌های تست مخرب (Non-Destructive Testing).
   • موتورهای القایی با کنترل سرعت الکترونیکی.
5. تجهیزات خانگی: برخی از لوازم خانگی مدرن مانند ماشین لباسشویی، یخچال‌های اینورتر، و تلویزیون‌های هوشمند نیز می‌توانند منابع کوچکی از هارمونیک باشند.

حضور هارمونیک‌ها در سیستم‌های قدرت می‌تواند پیامدهای منفی گسترده‌ای داشته باشد که هم به صورت فنی و هم اقتصادی قابل مشاهده‌اند:

1. اثرات حرارتی (Thermal Effects):
   • افزایش تلفات در ترانسفورماتورها: هارمونیک‌ها باعث افزایش تلفات هسته و مس در ترانسفورماتورها شده و آن‌ها را بیش از حد گرم می‌کنند، که عمر مفیدشان را کاهش می‌دهد.
   • گرم شدن هادی‌ها و کابل‌ها: جریان‌های هارمونیکی می‌توانند باعث افزایش جریان RMS در کابل‌ها و گرم شدن بیش از حد آن‌ها شوند، حتی اگر جریان اصلی (فرکانس پایه) در حد مجاز باشد.
   • کاهش طول عمر عایق‌ها: دمای بالا ناشی از هارمونیک‌ها، باعث فرسودگی سریع‌تر عایق‌های سیم‌پیچی موتورها، ترانسفورماتورها و کابل‌ها می‌شود.
   • افزایش دمای موتورها: هارمونیک‌ها در موتورهای القایی، میدان‌های مغناطیسی مزاحم ایجاد کرده و باعث افزایش تلفات و گرم شدن موتور می‌شوند که به کاهش راندمان و خرابی زودرس می‌انجامد.
2. اثرات عملکردی (Operational Effects):
   • عملکرد نادرست تجهیزات اندازه‌گیری: کنتورهای انرژی, ولت‌مترها و آمپرمترها ممکن است در حضور هارمونیک‌ها، مقادیر نادرستی را نشان دهند.
   • تداخل در سیستم‌های مخابراتی: هارمونیک‌ها می‌توانند نویز الکترومغناطیسی ایجاد کنند که باعث تداخل در خطوط ارتباطی و سیگنال‌های مخابراتی می‌شود.
   • خطا در عملکرد رله‌های حفاظتی: رله‌های اضافه جریان و سایر رله‌های حفاظتی ممکن است به دلیل جریان‌های هارمونیکی بالا، به صورت ناخواسته عمل کرده و باعث تریپ سیستم شوند.
   • اختلال در سیستم‌های کنترلی: سیستم‌های اتوماسیون صنعتی و PLCها می‌توانند در حضور هارمونیک‌ها دچار عملکرد نامنظم یا خرابی شوند.
   • لرزش و نویز در موتورها: هارمونیک‌ها می‌توانند باعث لرزش مکانیکی و ایجاد صدای غیرعادی در موتورها شوند.
3. اثرات اقتصادی (Economic Effects):
   • افزایش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات: ناشی از خرابی‌های مکرر و کاهش عمر تجهیزات.
   • کاهش راندمان سیستم: هدر رفت انرژی بیشتر به دلیل تلفات اضافی.
   • نیاز به اضافه‌سازی تجهیزات: برای جبران کاهش ظرفیت ناشی از هارمونیک‌ها، ممکن است نیاز به خرید ترانسفورماتورهای بزرگ‌تر یا کابل‌های با مقطع بالاتر باشد.
   • افزایش مصرف انرژی: به دلیل تلفات بیشتر و کاهش راندمان، قبض برق افزایش می‌یابد.
   • جریمه‌های مالی: عدم رعایت استانداردهای هارمونیکی ممکن است منجر به جریمه از سوی شرکت برق شود.
4. اثرات بر کیفیت توان (Power Quality Effects):
   • اعوجاج شکل موج ولتاژ: مهم‌ترین و مشهودترین اثر هارمونیک‌ها، تغییر شکل موج ولتاژ از سینوسی خالص است.
   • افزایش تلفات توان: در کل سیستم توزیع.
   • کاهش ضریب توان: هارمونیک‌ها می‌توانند ضریب توان را به دلیل وجود توان‌های اعوجاجی (Distortion Power) کاهش دهند.
   • نوسانات ولتاژ و فلیکر: در برخی موارد، هارمونیک‌ها می‌توانند به نوسانات ولتاژ و فلیکر (سوسو زدن چراغ‌ها) نیز کمک کنند.

کنترل هارمونیک‌ها برای حفظ کیفیت توان و جلوگیری از آسیب به تجهیزات بسیار مهم است. روش‌های مختلفی برای کاهش یا حذف هارمونیک‌ها وجود دارد که به دو دسته اصلی فیلترهای پسیو و اکتیو تقسیم می‌شوند:

1. ۱. فیلترهای پسیو (Passive Filters):

   این فیلترها از ترکیب سلف ($L$)، خازن ($C$) و مقاومت ($R$) ساخته می‌شوند و برای حذف یک یا چند هارمونیک خاص طراحی شده‌اند.

   1. فیلترهای تک تنظیمه (Single-tuned Filters):
      • برای حذف یک هارمونیک خاص (مثلاً پنجم یا هفتم) طراحی می‌شوند.
      • طراحی نسبتاً ساده و ارزان.
      • راندمان بالا در حذف هارمونیک هدف.
      • حساسیت به تغییرات فرکانس و امپدانس شبکه.
   2. فیلترهای چند تنظیمه (Multi-tuned Filters):
      • قابلیت حذف چند هارمونیک به صورت همزمان.
      • طراحی پیچیده‌تر و هزینه متوسط.
      • انعطاف‌پذیری بیشتر از تک تنظیمه.
   3. فیلترهای پهن‌باند (Broadband Filters):
      • حذف طیف وسیعی از هارمونیک‌ها.
      • انعطاف‌پذیری بالا، اما راندمان کمتری در حذف هارمونیک‌های خاص دارند.

   محدودیت فیلترهای پسیو: ممکن است با بارهای متغیر به خوبی کار نکنند و در صورت تغییر شرایط شبکه، می‌توانند با هارمونیک‌های دیگر رزونانس ایجاد کنند.

2. ۲. فیلترهای اکتیو (Active Filters):

   این فیلترها از مدارات الکترونیک قدرت پیشرفته استفاده می‌کنند تا به صورت دینامیکی هارمونیک‌ها را تشخیص داده و جریان‌های جبران‌ساز را به سیستم تزریق کنند. آن‌ها به صورت "هوشمند" عمل می‌کنند.

   1. فیلترهای سری (Series Active Filters):
      • به صورت سری با بار متصل می‌شوند و شکل موج ولتاژ را اصلاح می‌کنند.
      • حفاظت در برابر اغتشاشات ولتاژ (مانند افت یا افزایش ولتاژ).
      • کنترل پویا و عملکرد عالی در برابر تغییرات بار.
   2. فیلترهای موازی (Shunt Active Filters):
      • رایج‌ترین نوع فیلتر اکتیو، به صورت موازی با بار متصل می‌شود.
      • جریان‌های هارمونیکی را جبران‌سازی کرده و شکل موج جریان را اصلاح می‌کنند.
      • قابلیت جبران‌سازی توان راکتیو و متعادل‌سازی بار.
      • عملکرد سریع و مستقل از امپدانس شبکه.
   3. فیلترهای ترکیبی (Hybrid Active Filters):
      • ترکیب مزایای فیلترهای اکتیو و پسیو برای دستیابی به عملکرد بهینه و کاهش هزینه کلی.
      • عملکرد بسیار جامع در محیط‌های با هارمونیک‌های پیچیده.

   مزایای فیلترهای اکتیو: بسیار انعطاف‌پذیرتر از فیلترهای پسیو هستند، به تغییرات بار واکنش نشان می‌دهند و می‌توانند چندین هارمونیک را به طور همزمان حذف کنند.

3. ۳. راکتورهای خط (Line Reactors):

   راکتورها (سلف‌ها) می‌توانند به کاهش هارمونیک‌ها، به ویژه در ورودی درایوهای فرکانس متغیر، کمک کنند.

   1. راکتورهای ورودی (Input Line Reactors):
      • به صورت سری با ورودی درایوهای VFD نصب می‌شوند.
      • کاهش هارمونیک‌های جریان و محافظت از خازن‌های لینک DC.
      • راه حلی ساده و نسبتاً ارزان.
   2. راکتورهای DC لینک (DC Link Reactors):
      • در مدار لینک DC درایوهای VFD قرار می‌گیرند.
      • بهبود عملکرد درایوها و کاهش ریپل جریان.
      • افزایش طول عمر خازن‌های لینک DC.

برای اطمینان از کیفیت توان و سازگاری تجهیزات، سازمان‌های بین‌المللی استانداردهایی را برای محدودیت هارمونیک‌ها تعیین کرده‌اند. رعایت این استانداردها برای تولیدکنندگان تجهیزات و مصرف‌کنندگان برق ضروری است:

ولتاژ و جریان پایدار و متعادل، دو ستون اصلی کیفیت توان هستند. هرگونه انحراف در دامنه، شکل موج، یا تعادل این پارامترها می‌تواند اثرات مخربی بر عملکرد و طول عمر تجهیزات الکتریکی داشته باشد. این بخش به بررسی جامع نوسانات ولتاژ، افت و افزایش ولتاژ، فلیکر، عدم تعادل ولتاژ و جریان، و روش‌های کنترل آن‌ها می‌پردازد.

عدم تعادل ولتاژ و جریان (Voltage and Current Unbalance): محاسبه و پیامدها

عدم تعادل به معنای تفاوت در دامنه یا اختلاف فاز بین سه فاز در یک سیستم سه‌فاز است. این مشکل می‌تواند باعث ایجاد جریان در نول، گرم شدن تجهیزات و کاهش راندمان شود.

1. ۱. محاسبه درصد عدم تعادل ولتاژ (Voltage Unbalance Factor - VUF):

   VUF با تقسیم مؤلفه منفی ولتاژ به مؤلفه مثبت آن، یا از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود:

   $$VUF (\%) = \frac{V_{deviation, max}}{V_{average}} \times 100\%$$

   ($V_{deviation, max}$: حداکثر انحراف ولتاژ فاز از ولتاژ متوسط سه فاز، $V_{average}$: ولتاژ متوسط سه فاز)

   استاندارد IEEE 1159 توصیه می‌کند VUF کمتر از ۱ تا ۲ درصد باشد.

2. ۲. پیامدهای عدم تعادل ولتاژ و جریان:
   • افزایش تلفات و گرم شدن موتورها: حتی ۱% عدم تعادل ولتاژ می‌تواند منجر به افزایش ۶ تا ۱۰% در تلفات موتور و گرم شدن بیش از حد آن شود.
   • کاهش توان خروجی موتورها: موتورهای تغذیه شده با ولتاژ نامتعادل، توان نامی خود را از دست می‌دهند.
   • جریان‌های بیش از حد در سیم نول: در سیستم‌های چهار سیمه با بارهای تک فاز نامتعادل.
   • عملکرد نادرست تجهیزات الکترونیکی: تجهیزات حساس به عدم تعادل ولتاژ واکنش نشان می‌دهند.
   • ایجاد هارمونیک‌ها: عدم تعادل می‌تواند به تولید هارمونیک‌های خاصی دامن بزند.

برای بهبود کیفیت ولتاژ و جریان و کاهش نوسانات و عدم تعادل، می‌توان از راهکارهای زیر استفاده کرد:

1. نصب استابلایزر (Voltage Stabilizer) یا رگولاتور ولتاژ:

   این دستگاه‌ها ولتاژ خروجی را در یک محدوده ثابت و مطلوب نگه می‌دارند و از تجهیزات در برابر افت یا افزایش ولتاژ محافظت می‌کنند.

   • خودکار و سریع: توانایی واکنش سریع به نوسانات.
   • افزایش طول عمر تجهیزات: با تأمین ولتاژ پایدار.
2. استفاده از UPS (Uninterruptible Power Supply):

   UPSها نه تنها برق اضطراری در زمان قطع برق را فراهم می‌کنند، بلکه به عنوان یک فیلتر فعال، ولتاژ خروجی را تنظیم کرده و از کیفیت توان محافظت می‌کنند.

   • حفاظت جامع: در برابر افت، افزایش، نویز و قطع برق.
   • مهم برای بارهای حساس: مانند سرورها و تجهیزات پزشکی.
3. بهینه‌سازی توزیع بار و متعادل‌سازی فازها:

   اطمینان از توزیع یکنواخت بارهای تک فاز در سیستم‌های سه‌فاز برای جلوگیری از جریان بیش از حد در نول و عدم تعادل ولتاژ.

   • بازرسی و بازتوزیع بارها: در تابلوهای برق.
   • استفاده از سیستم‌های متعادل‌کننده فعال: برای جبران‌سازی دینامیکی عدم تعادل.
4. ارتقاء کابل‌ها و ترانسفورماتورها:

   استفاده از کابل‌های با مقطع مناسب برای جلوگیری از افت ولتاژ بیش از حد و اطمینان از اینکه ترانسفورماتورها دارای ظرفیت کافی برای بار موجود هستند.

   • کاهش تلفات: با کاهش مقاومت کابل.
   • پایداری ولتاژ: در نقاط دورتر از منبع.
5. نصب دستگاه‌های اصلاح‌کننده توان:

   استفاده از دستگاه‌های FACTS (Flexible AC Transmission Systems) مانند STATCOM (Static Synchronous Compensator) در سطوح بالای شبکه برای کنترل ولتاژ و بهبود پایداری.

   • کنترل دینامیک ولتاژ: جبران سریع تغییرات بار.
   • افزایش ظرفیت انتقال: با بهبود پروفیل ولتاژ.

تلفات انرژی به مقدار انرژی الکتریکی اشاره دارد که در طول فرآیند تولید، انتقال، توزیع و مصرف، به دلیل مقاومت هادی‌ها، میدان‌های مغناطیسی، و سایر عوامل، به گرما تبدیل شده و به هدر می‌رود. کاهش تلفات نه تنها برای پایداری شبکه و محیط زیست اهمیت دارد، بلکه مستقیماً بر هزینه‌های برق مصرف‌کنندگان نیز تأثیر می‌گذارد.

نحوه محاسبه و ارزیابی تلفات:

محاسبه دقیق تلفات انرژی در یک سیستم پیچیده است و نیازمند جمع‌آوری داده‌های جامع و مدل‌سازی شبکه است. با این حال، برخی روش‌های کلی برای ارزیابی تلفات وجود دارد:

1. ۱. اندازه‌گیری و پایش مصرف:

   نصب کنتورهای هوشمند و آنالایزرهای کیفیت توان در نقاط مختلف شبکه برای ثبت دقیق جریان، ولتاژ، توان اکتیو و راکتیو، و پروفیل بار.

2. ۲. تحلیل قبوض برق:

   بررسی دوره‌های مختلف قبض برق و مقایسه مصرف انرژی با کار مفید انجام شده. قبض‌هایی که جریمه ضریب توان یا میزان مصرف غیرعادی را نشان می‌دهند، می‌توانند نشانگر تلفات بالا باشند.

3. ۳. بررسی حرارتی تجهیزات:

   استفاده از دوربین‌های ترموگرافی برای شناسایی نقاط داغ در تابلوهای برق، کابل‌ها، ترانسفورماتورها و موتورها. افزایش دما نشانه‌ای مستقیم از تلفات اضافی است.

4. ۴. مدل‌سازی و شبیه‌سازی:

   استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی تحلیل سیستم‌های قدرت برای مدل‌سازی شبکه و پیش‌بینی تلفات در سناریوهای مختلف بارگذاری.

کاهش تلفات انرژی نیازمند رویکردی جامع است که شامل بهبود فنی و مدیریت عملیاتی می‌شود:

1. اصلاح ضریب توان (Power Factor Correction):

   مهم‌ترین راهکار برای کاهش تلفات در سیستم‌های دارای بارهای سلفی. با نزدیک کردن ضریب توان به ۱، جریان کشیده شده از شبکه برای همان مقدار توان اکتیو کاهش می‌یابد و به تبع آن تلفات مسی ($I^2R$) کمتر می‌شود.

   • نصب بانک‌های خازنی: ثابت یا اتوماتیک.
   • استفاده از موتورهای سنکرون: که می‌توانند توان راکتیو تولید کنند.
2. کاهش هارمونیک‌ها:

   جریان‌های هارمونیکی باعث افزایش تلفات در هادی‌ها، هسته ترانسفورماتورها و موتورها می‌شوند. حذف یا کاهش آن‌ها به طور مستقیم تلفات را کم می‌کند.

   • نصب فیلترهای هارمونیک: فعال یا پسیو.
   • استفاده از تجهیزات با طراحی کم‌هارمونیک: مانند درایوهای VFD با ورودی‌های کم‌اعوجاج.
3. بهینه‌سازی سیستم توزیع:
   • استفاده از کابل‌ها و هادی‌ها با مقطع مناسب: کاهش مقاومت و تلفات مسی.
   • کاهش طول خطوط: در صورت امکان.
   • توزیع متعادل بار بین فازها: جلوگیری از جریان‌های نول و عدم تعادل.
   • نصب ترانسفورماتورهای با راندمان بالا: کاهش تلفات هسته و مس.
4. مدیریت بار و راندمان تجهیزات:
   • استفاده از موتورها و تجهیزات با راندمان بالا: (مثلاً موتورهای IE3/IE4).
   • تعمیر و نگهداری منظم تجهیزات: تضمین عملکرد بهینه و جلوگیری از خرابی که منجر به افزایش تلفات می‌شود.
   • خاموش کردن تجهیزات غیرضروری: کاهش مصرف برق و تلفات بی‌مورد.
   • انتخاب تجهیزات با توان نامی مناسب بار: از کارکرد تجهیزات با بار کم که منجر به راندمان پایین و تلفات بالا می‌شود، جلوگیری کنید.
5. بهبود سیستم‌های اندازه‌گیری و کاهش تلفات غیرفنی:
   • بازرسی‌های منظم: برای شناسایی انشعابات غیرمجاز و سرقت برق.
   • نصب کنتورهای هوشمند: با قابلیت تشخیص دستکاری و ثبت دقیق مصرف.
   • آموزش و آگاهی‌رسانی: به مصرف‌کنندگان در مورد اهمیت مصرف بهینه و پیامدهای سرقت برق.

برای اطمینان از عملکرد پایدار و قابل اعتماد سیستم‌های الکتریکی و همچنین حفاظت از تجهیزات و مصرف‌کنندگان، سازمان‌های بین‌المللی و ملی استانداردهای مختلفی را برای کیفیت توان تدوین کرده‌اند. این استانداردها، چارچوبی برای اندازه‌گیری، ارزیابی، و کنترل پارامترهای کیفیت توان فراهم می‌کنند و به عنوان راهنمایی برای تولیدکنندگان، توزیع‌کنندگان، و مصرف‌کنندگان برق عمل می‌کنند.

صنعت استخراج ارز دیجیتال (ماینینگ)، به دلیل ماهیت پرمصرف و استفاده از تجهیزات الکترونیکی خاص، چالش‌های منحصربه‌فردی را در زمینه کیفیت توان ایجاد می‌کند. این چالش‌ها می‌توانند به افزایش هزینه‌های عملیاتی، آسیب به تجهیزات، و کاهش بهره‌وری منجر شوند.

راهکارهای بهبود کیفیت توان در مزارع ماینینگ:

با توجه به چالش‌های ذکر شده، اجرای راهکارهای تخصصی کیفیت توان برای مزارع ماینینگ ضروری است:

1. ۱. اصلاح ضریب توان (Power Factor Correction):

   نصب بانک‌های خازنی اتوماتیک (APFC) برای جبران توان راکتیو. این کار باعث کاهش جریان کشیده شده از شبکه، کاهش تلفات، و جلوگیری از جریمه‌های شرکت برق می‌شود. با توجه به بار تقریباً ثابت در ماینینگ، می‌توان ظرفیت خازن‌ها را به دقت محاسبه کرد.

2. ۲. کاهش هارمونیک‌ها با فیلترهای فعال یا پسیو:

   استفاده از فیلترهای هارمونیک (به ویژه فیلترهای فعال برای انعطاف‌پذیری بیشتر) برای حذف هارمونیک‌های جریان تولید شده توسط SMPS ماینرها. این اقدام از گرم شدن ترانسفورماتورها و کابل‌ها جلوگیری کرده و راندمان کلی سیستم را بهبود می‌بخشد.

3. ۳. استفاده از استابلایزر ولتاژ و UPS:

   نصب استابلایزر ولتاژ در ورودی مزرعه ماینینگ برای حفظ ولتاژ پایدار. در صورت حساسیت بسیار بالای ماینرها یا وجود افت/افزایش ولتاژهای شدید، استفاده از UPSهای آنلاین (Double Conversion) می‌تواند حفاظت کامل‌تری را فراهم کند.

4. ۴. توزیع متعادل بار:

   اطمینان از توزیع یکنواخت ماینرها و سایر بارها (مانند سیستم‌های خنک‌کننده) در بین فازهای سیستم سه‌فاز برای جلوگیری از عدم تعادل جریان و ولتاژ.

5. ۵. کابل‌کشی مناسب و انتخاب ترانسفورماتور:

   استفاده از کابل‌های با مقطع مناسب و با کیفیت بالا برای به حداقل رساندن افت ولتاژ و تلفات. انتخاب ترانسفورماتورهایی که برای بارهای دارای هارمونیک طراحی شده‌اند (مانند ترانسفورماتورهای K-Rated) می‌تواند عمر مفید آن‌ها را افزایش دهد.

6. ۶. سیستم پایش و مدیریت انرژی (EMS/PQM):

   نصب سیستم‌های پایش کیفیت توان (Power Quality Monitoring - PQM) برای نظارت مداوم بر پارامترهای برق (ولتاژ، جریان، ضریب توان، THD) و شناسایی هرگونه مشکل به صورت زودهنگام.