عند إدارة أو الإشراف على نظام تغذية كهربائي في معمل أو منشأة صناعية، من الضروري الحفاظ على تشغيل النظام بشكل مستمر دون أي انقطاع. فكل دقيقة توقف في الإنتاج تعني تكاليف مادية عالية تؤثر على هامش الربح وقد تؤدي إلى فقدان الإنتاجية. لذلك، يعد الحفاظ على استمرارية التشغيل وتحقيق أفضل أداء للتجهيزات وحصولها على أطول عمر افتراضي أمرًا بالغ الأهمية.
من الأسباب الرئيسية لضعف موثوقية التجهيزات الصناعية والأداء غير المثالي للمعدات في الحمولات الصناعية هو وجود التوافقيات في التيار والجهد. التوافقيات يمكن أن تؤثر على الكفاءة التشغيلية للمعدات وقد تؤدي إلى العديد من المشاكل التشغيلية التي تؤثر سلبًا على النظام الكهربائي في المنشأة.
ما هي التوافقيات؟
التوافقيات هي موجات غير مرغوب فيها تظهر في النظام الكهربائي نتيجة لوجود أحمال غير خطية. هذه الأحمال لا تستهلك الطاقة بشكل ثابت، مما يؤدي إلى إنشاء تيارات وجهود مشوهة. تتولد التوافقيات من مصادر متعددة في الصناعة، مثل:
- آلات اللحام بالقوس الكهربائي
- الأفران التحريضية
- أجهزة شحن البطاريات
- أجهزة UPS (أنظمة عدم انقطاع التيار الكهربائي)
- أجهزة تغيير سرعة المحركات (VFDs) وغيرها.
كيف تؤثر التوافقيات على النظام الكهربائي؟
- تشويه موجة الجهد:
- التوافقيات يمكن أن تسبب تشويهًا في موجة الجهد المرسل عبر الشبكة الكهربائية، مما يغير الشكل الموجي للتيار ويؤدي إلى ظهور تيارات غير متوازنة.
- انخفاض الكفاءة:
- نتيجة للتشويه في الموجة، قد يحدث انخفاض في كفاءة المحولات والمحركات وغيرها من التجهيزات الكهربائية.
- هذا يشمل تخفيض عامل الاستطاعة، مما يؤدي إلى زيادة الفاقد في الطاقة أثناء النقل والاستخدام.
- ارتفاع الحرارة والتلف:
- التوافقيات قد تسبب ارتفاع حرارة الكابلات والشبكات والمحولات، مما قد يؤدي إلى تلفها أو حتى نشوب حرائق في الشبكة الكهربائية.
- الزيادة في الحرارة قد تؤدي إلى تدهور عزل الكابلات والمكونات الكهربائية، مما يقلل من عمر المعدات.
- زيادة تكاليف الإنتاج والصيانة:
- زيادة تكاليف الإنتاج والإنشاءات الكهربائية اللازمة لتوزيع الكهرباء بشكل مناسب على المعدات.
- يمكن أن تؤدي التوافقيات أيضًا إلى عمليات فصل زائفة في أجهزة الحماية، مما يؤدي إلى توقف الإنتاج بشكل غير مبرر.
- زيادة التكاليف التشغيلية نتيجة لزيادة الفاقد في الطاقة واستهلاك المزيد من الطاقة لتشغيل المعدات.
- التوافقيات يمكن أن تؤثر أيضًا على مجموعات تحسين عامل الاستطاعة (capacitor banks) في المنشأة، مما يؤدي إلى زيادة التيار في المكثفات، وهذا قد يتسبب في إيقاف تشغيل هذه المجموعات أو حتى احتراقها.
- تقليل العمر الافتراضي للمعدات:
- التوافقيات تسهم في تقصير العمر الافتراضي للمعدات والتجهيزات الكهربائية بسبب زيادة درجات الحرارة والضغط الكهربائي المستمر على مكونات النظام.
- تشير بعض الدراسات مثل دراسات شنايدر إلكتريك إلى أن ارتفاع مستويات التوافقيات قد يؤدي إلى زيادة النفقات الرأسمالية بنسبة تصل إلى 15% وزيادة التكاليف التشغيلية بنسبة 10%.
كيف يمكن تجنب الأضرار الناتجة عن التوافقيات؟
لتقليل تأثير التوافقيات أو تجنب أضرارها، من الضروري تطبيق الحلول المناسبة التي تهدف إلى تصفية أو تقليل التوافقيات في الشبكة الكهربائية، وتشمل هذه الحلول:
- المرشحات الفعالة (Active Harmonic Filters):
- هذه الأجهزة تقوم بإلغاء التوافقيات عن طريق توليد تيارات معاكسة للتوافقيات السائدة، مما يؤدي إلى تقليل تأثيراتها في الشبكة.
- المرشحات غير الفعالة (Passive Harmonic Filters):
- تستخدم هذه المرشحات مكثفات وملفات لخلق دارات رنين تتفاعل مع التوافقيات وتمنعها من التأثير على باقي النظام.
- استخدام المحولات ذات الكفاءة العالية:
- يمكن استخدام محولات ذات تصميم خاص للتعامل مع التوافقيات، مما يقلل من تأثيرها على النظام.
- توزيع الأحمال بشكل متوازن:
- تقليل الحمل غير المتوازن قد يساعد في تقليل التوافقيات الناتجة عن الأحمال غير الخطية.
- التأكد من توازن وتعديل النظام الكهربائي:
- من خلال قياس التوافقيات بشكل مستمر، يمكن اتخاذ الإجراءات اللازمة لتحسين الجودة الكهربائية في النظام.
الخلاصة:
التوافقيات في الشبكات الكهربائية الصناعية قد تؤدي إلى العديد من المشاكل التي تؤثر على أداء الأجهزة الكهربائية وتزيد من التكاليف التشغيلية. من خلال التعرف على هذه التوافقيات واستخدام المرشحات الفعالة والمرشحات غير الفعالة، يمكن تقليل تأثير التوافقيات، تحسين جودة الطاقة، زيادة الكفاءة، وتقليل التكاليف الناتجة عن التوقفات والأعطال، مما يؤدي إلى تحسين أداء النظام وزيادة العمر الافتراضي للمعدات الكهربائية في المنشأة.
