پاورآنالایزر

پاورآنالایزر یکی از ابزارهای تخصصی و بسیار کاربردی در صنعت برق می باشد که از آن می توان برای اندازه گیری پارامترهای مهمی مثل ولتاژ و جریان و توان اکتیو وتوان راکتیو ... استفاده کرد . در ادامه در مورد مباحث مختلف این دستگاه به طور کامل صحبت خواهیم کرد. 

پاورآنالایزر چیست ؟

همان طور که در ابتدای این مطلب عنوان شد از پاورآنالایزر می توان برای اندازه گیری ولتاژ و جریان در حالت AC و DC استفاده کرد اما هدف اصلی استفاده از پاورآنالایزر محاسبه ولتاژ و جریان نمی باشد و می توان با استفاده از محاسبه اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان , اقدام به اندازه گیری توان اکتیو و راکتیو و ضریب قدرت ( Power factor ) و ... کرد .

نکته : در بررسی مفاهیم مربوط به پاورآنالایزر , توان اکتیو در هر دو حالت AC و DC قابل اندازه گیری می باشد . اما در مورد توان راکتیو در حالت AC این پارامتر اهمیت دارد .

هرچند ذکر این نکته خالی از لطف نیست که کمیت هایی مثل توان اکتیو و راکتیو و ضریب قدرت و ... از روی داده های اندازه گیری شده محاسبه می شوند نه به طور مستقیم مثل اندازه گیری ولتاژ و جریان .

همچنین در مدل های پیشرفته تر این دستگاه می تواند با نمونه برداری با سرعت بالا از جریان و ولتاژ , مولفه های هارمونیکی آنها در فرکانس های مختلف را به دست آورده و در صفحه نمایش دستگاه نشان دهد .

 بررسی هارمونیک های مختلف ولتاژ و جریان می تواند به اندازه گیری پارامترهایی مثل THDi ( اعوجاج هارمونیک کل جریان ) و THDv ( اعوجاج هارمونیک کل ولتاژ ) منجر شود .

منظور از THD اعوجاج هارمونیک کل می باشد که نشان می دهد چه مقدار از شکل موج ولتاژ و جریان ما به دلیل هارمونیک های به وجود آمده در فرکانس های مختلف , از شکل موج ایده آل در فرکانس اصلی ( مثلا 50 هرتز برق شهری ) فاصله گرفته است.

برای محاسبه پارامتر THDi از فرمولی که در قسمت پایین تر می بینیم استفاده می کنیم . اما باید دقت شود که در صورت کسر مقادیر موثر ( یا همون Rms ) جریان در هارمونیک های مختلف ( از هارمونیک 2 تا هر جایی که هارمونیک وجود داشته باشد ) با هم طبق فرمول جمع شده تا در نهایت به عدد مورد نظر THDi برسیم.

نکته : توجه شود که عدد به دست آمده برای THDi و THDv خیلی وقت ها با هم برابر نیستند و ممکن است اعوجاج هارمونیک جریان که توسط یک تجهیز صنعتی به وجود می آید خیلی بیشتر از اعوجاج هارمونیک ولتاژ باشد.

اهمیت توانایی نمایش هارمونیک های ولتاژ و جریان در فرکانس های مختلف زمانی مشخص می شود که وقتی در یک محیط صنعتی شما با درایو و اینورتر و منبع تغذیه سوییچینگ و یکسوساز و ... که دارای بار غیر خطی هستند و به همین دلیل توانایی تولید هارمونیک در فرکانس های مختلف را دارند سر کار داشتید می توانید عملکرد آنها را به درستی ارزیابی کنید.

 نکته ی مهمی که حتما باید به آن توجه شود این است که هارمونیک ها توسط پاورآنالایزر تولید نمی شوند بلکه از رفتار غیر خطی بار ( زمانی که ولتاژ و جریان متناسب نبوده و با شکل موج سینوسی فرکانس اصلی فاصله گرفته اند ) یا سیستم ایجاد می شوند . پاورآنالایزر صرفا با استفاده از محاسبات داخلی خود دستگاه برای جریان یا ولتاژ در فرکانس های مختلف مقدار هارمونیک مربوطه را محاسبه می کند .پس در واقع مهم ترین دلیل نیاز ما به استفاده از پاورآنالایزر در محیط های صنعتی و جاهایی که بار بار غیر خطی سر و کار داریم در این هست که در این محیط ها منبع تغذیه سوییچینگ , ups , داریو , اینورتر و سایر ادوات تولید کننده هارمونیک وجود دارد و با توجه به اینکه جریان از شکل موج سینوسی فاصله می گیرد درنتیجه احتمالا در محاسبات اولیه توسط پاورآنالایزر عدد THDi بالا به دست می آید . این عدد بالا به ما نشان می دهد که جریان ورودی شکل سینوسی مناسبی ندارد و جریان بالا البته می تواند منجر به افزایش تلفات و گرم شدن کابل ها و ترانسفورماتورها و مشکلات داخلی شبکه برق شود . اینجا هست که پاورآنالایزر با محاسبه جزیی هارمونیک های 3 و 5 و 7 و... به طور جزیی عدد جریان را در هارمونیک های مختلف محاسبه و نمایش می دهد تا بتوانیم شرایط را تحلیل کنیم و مشکل را برطرف کنیم . خود این دستگاه مستقیما مشکل هارمونیک را رفع نمی کند بلکه می تواند دلیل مشکل به وجود آمده را به ما نشان دهد تا از طریق فیلتر هارمونیک یا اصلاح طراحی سیستم مشکل برطرف شود .

از طرفی پاورآنالایزر می تواند به طور همزمان ولتاژ و جریان را مورد بررسی قرار دهد . امکان دارد ولتاژ شبکه سینوسی بوده و عدد مربوط به THDv خیلی ناچیز باشد اما به دلیل وجود بار غیر خطی و تجهیزات هارمونیک ساز مثل اینورتر,درایو و ... می تواند جریان دارای هارمونیک شود و عدد THDi بالا برود . در ادامه ممکن است به دلیل عبور جریان دارای هارمونیک از امپدانس شبکه , اعوجاج هارمونیک ولتاژ شبکه را داشته باشیم و عدد THDv افزایش پیدا کند . 

در نتیجه پاورآنالایزر می تواند با اندازه گری همزمان THDv  و THDi  می تواند اعلام کند که :

1. اعوجاج از سمت ولتاژ شبکه هست یا جریان بار 

2. کدام هارمونیک ها سهم بیشتری دارند

3. شدت اعوجاج چه قدر است 

4. اینکه شبکه نیاز به اصلاح دارد یا نه 

بنابراین پاورآنالایزر فقط یک عدد از هارمونیک‌ها ارائه نمی‌دهد؛ بلکه با بررسی هم‌زمان ولتاژ، جریان و هارمونیک‌ها، اطلاعات لازم برای عیب‌یابی کیفیت توان را در اختیار تکنسین و مهندس برق قرار می‌دهد.

مزایای استفاده از پاورآنالایزر در صنعت برق

1. پیدا کردن دقیق مشکلات سیستم های برق : وقتی یک مهندس برق می خواهد اقدام به بررسی مشکلات موجود در سیستم های برقی کند به جای ارایه حدس و گمان برای دلایل مشکلات موجود در تجهیزات مختلف صنعت برق , می تواند از داده های واقعی برای تحلیل شرایط موجود استفاده کند . این داده ها بر اساس آمار و ارقامی که به طور مستقیم از افت یا افزایش ولتاژ , جریان غیر عادی , عدم تعادل فازها , ضریب قدرت نامناسب , هارمونیک ها , توان مصرفی غیر عادی و ... به دست می آیند.

2. کمک به افزایش بازدهی تجهیزات الکتریکی : همان طور در طول مباحث گذشته بیان کردیم پاورآنالایزر قابلیت اندازه گیری پارامترهای مختلف مثل توان ورودی و توان خروجی و ضریب قدرت و ... را دارد و می تواند با شناسایی عوامل مختلف اتلاف انرژی و عملکرد نامناسب تجهیزات مختلف بپردازد و هشدارهای لازم را برای اصلاح مشکلات موجود در صنعت برق را می دهد . 

مثلا اگر عددی که پاورآنالایزر برای توان اکتیو مصرفی یک موتور الکتریکی نشان می دهد , بیشتر از توان اکتیو آن موتور در شرایط عادی باشد این موضوع باید بررسی شود چون ممکن است بار بیش از حد در شبکه وجود دارد یا عملکرد موتور اشکال دارد یا از اول آن موتور انتخاب درستی نبوده یا ... پس مهندس به دنبال اصلاح این وضعیت می باشد.

در بعضی موارد ممکن است توان اکتیو عدد مناسبی نشان داده شود اما توان راکتیو زیادی از شبکه بگیرد. این موضوع باعث می شود تا جریان بیشتری از کابل ها و تجهیزات عبور کند و ضمن ایجاد حرارت بالا و آسیب احتمالی به تجهیزات مشکلاتی را ایجاد کند . در ادامه به کمک بانک خازنی و اصلاح ضریب قدرت می توانیم توان راکتیو مورد نیازی که باید از شبکه گرفته شود را کاهش دهیم چرا که بانک خازنی می تواند بخشی از این توان راکتیو مورد نیاز را تامین کند و با توجه به فرمول محاسبه توان راکتیو , در صورت کاهش توان راکتیو انگار ضریب قدرت اصلاح می شود .

همچنین برای بررسی مشکلات مربوط به کیفیت توان باید از پاورآنالایزر برای اندازه گیری THDi و THDv بپردازیم تا از نتایج به دست آمده برای تحلیل شرایط موجود استفاده کنیم.

در نهایت می توانیم نتیجه گیری کنیم که پاورآنالایزر با اندازه‌گیری و تحلیل پارامترهای الکتریکی، به شناسایی عوامل مؤثر بر اتلاف انرژی و عملکرد نامناسب تجهیزات کمک می‌کند و از این طریق می‌توان برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و افزایش راندمان سیستم اقدام کرد.

3. کمک به شناسایی و کاهش مصرف غیر ضروری انرژی : پاورآنالایزر می تواند با اندازه گیری توان و انرژی یک موتور یا خط تولید نشان می دهد که تجهیزات مختلف در کجا و چه طور بیشترین مصرف انرژی را دارند تا در ادامه جلوی مصرف انرژی غیر ضروری گرفته شود .

توجه داشته باشیم که برای بررسی تلفات و مصرف انرژی باید 2 مسیر جداگانه را در نظر بگیریم که هر دو باعث افزایش جریان و تلفات می شوند :

1. توان راکتیو زیاد : اگر توان راکتیوی که از شبکه گرفته می شود بالا باشد به ازای توان اکتیو ثابت , توان ظاهری ( S ) افزایش پیدا کرده و به ازای یک ولتاژ مشخص , جریان افزایش پیدا کرده و در نتیجه با توجه به فرمول , تلفات افزایش پیدا می کند .

2 . هارمونیک جریان زیاد ( THDi ) : در مورد اعوجاج هارمونیک کل جریان هم اگر عدد THDi بالا باشد , جریان Rms در افزایش پیدا کرده و باز هم تلفات بیشتر می شود . 

پس وقتی پاورآنالایزر Q، PF و THDi را اندازه می‌گیرد، از چند زاویه مختلف می‌توان فهمید که آیا جریان اضافی و در نتیجه تلفات غیرضروری در سیستم وجود دارد یا نه.

نکته مهم: هارمونیک و توان راکتیو دو پدیده متفاوت‌اند؛ فقط هر دو می‌توانند در افزایش جریان و تلفات نقش داشته باشند

4. کمک به شناسایی عوامل موثر در آسیب به اینورتر,موتور,درایو : پاورآنالایزر با شناسایی عوامل موثر در آسیب به تجهیزات مختلف , می تواند به جلوگیری از آسیب های احتمالی به آنها کمک کند . به طور مثال همان طور که پیشتر اشاره کردیم این دستگاه قابلیت اندازه گیری THDi را دارد . این پارامتر که نشان دهنده اعوجاج جریان هارمونیک کل می باشد , هرچه قدر که عدد بیشتری باشد نشان دهنده بالاتر بودن جریان در هارمونیک های فرکانس های مختلف می باشد . همان طور که می دانیم جریان بالا می تواند منجر به افزایش حرارت ( افزایش تلفات ) شده و در نتیجه کابل های موجود و ترانسفورماتورها آسیب دیده و شبکه برق را دچار مشکل کند . اما پاورآنالایزر با قابلیتی که به آن اشاره شد می تواند جلوی این موارد را بگیرد.

همچنین عدم تعادل ولتاژ و جریان می تواند باعث عملکرد نامناسب موتورهای 3 فاز شده و منجر به افزایش گرما و استهلاک می شود .

برای نتیجه گیری نهایی این قسمت می توان گفت که پاورآنالایزر با اندازه‌گیری و تحلیل هارمونیک‌ها، به شناسایی منابع اعوجاج و ارزیابی شدت آن‌ها کمک می‌کند تا بتوان اقدامات مناسب برای کاهش اثرات هارمونیک را انجام داد.پاورآنالایزر معمولاً مشکل را برطرف نمی‌کند؛ مشکل را اندازه‌گیری و قابل‌تشخیص می‌کند.

کاربردهای پاورآنالایزر در صنعت برق

پاورآنالایزر می تواند با اندازه گیری پارامترهای مختلف مثل ولتاژ, جریان , توان اکتیو , توان راکتیو , ضریب قدرت , هارمونیک و ... در بخش های مختلف صنعت برق و کار با تجهیزات متفاوت کارایی داشته باشد. در ادامه به چند مورد از موارد کاربردی این دستگاه در صنعت اشاره خواهیم کرد .

1. مناسب برای عیب‌یابی و پایش سیستم‌های برق صنعتی

همان طور در طول این مطلب عنوان شد پارامترهای محتلفی می تواند توسط پاورآنالایزر بررسی شود و به طور مثال اگر یک موتور جریان زیادی از شبکه می کشد این می تواند به معنای بالا رفتن توان ظاهری و در نتیجه نشان دهنده این باشد توان راکتیو زیادی از شبکه می گیرد ( ضریب قدرت پایین می باشد ) . پس می توانیم اقدام به اصلاح ضریب قدرت و نصب بانک خازنی کنیم تا توان راکتیو کمتری از شبکه بکشد . همه این موارد زمانی قابل تحلیل هست که از پاورآنالایزر خوب استفاده کنیم.

2. کنترل و تایید شرایط الکتریکی سیستم قبل و هنگام راه اندازی تجهیزات فشار ضعیف

در این قسمت ما می خواهیم وضعیت برق یک سیستم را بعد از نصب تجهیزاتی مثل درایو , اینورتر , موتور , تابلو برق , UPS و ... و قبل از اینکه سیستم وارد راه اندازی عادی شود بررسی کنیم . 

در این شرایط پاورآنالایزر می تواند ولتاژ , جریان , ضریب قدرت , هارمونیک , توان و تعادل فازها را در نظر بگیرد تا ببیند که آیا تجهیزات نصب شده برق را به درستی دریافت می کنند و در شرایط غیر عادی کار نکنند .

مثلاً بعد از نصب یک درایو سه‌فاز، می‌توان با پاورآنالایزر بررسی کرد که ولتاژ هر سه فاز مناسب است، جریان فازها غیرعادی نیست و هارمونیک جریان در محدوده قابل‌قبول قرار دارد

3. اندازه گیری توان و راندمان و تلفات در ترانسفورماتورهای تک فاز و 3 فاز

همان طور که بارها در این متن گفتیم پاورآنالایزر کمیت های مختلف در صنعت برق را اندازه گیری می کند . ترانسفورماتورها هم از این قاعده مستثنی نیستند. در نتیجه با اندازه گیری توان ورودی و خروجی در آنها می توان به کمک پاورآنالایزر راندمان و تلفات در ترانس ها را اندازه گرفت .

در واقع این دستگاه با اندازه گیری ولتاژ و جریان و توان اکتیو در سمت ورودی و خروجی , اختلاف توان ورودی و خروجی را در نظر گرفته و تلفات و راندمان را محاسبه می کند . 

انواع پاورآنالایزر

پاورآنالایزرها بر اساس کارکردشون و توانایی که در اندازه گیری پارامترهای مختلف دارند به دسته های مختلف تقسیم بندی می شوند که در ادامه به معرفی آنها می پردازیم

کلمپ پاورمتر : همان طور که می دانیم کلمپ مترها قابلیت اندازه گیری ولتاژ و جریان در حالت AC و DC را دارد و البته امکان اجرای تست دیود و بازر و ... را دارند . در حالت عادی امکان اندازه گیری توان با کلمپ مترها وجود ندارد اما اگر کلمپ متری توانایی محاسبه توان اکتیو و راکتیو را داشته باشد یک سطح از بقیه کلمپ مترها بالاتر است و به آن کلمپ پاورمتر گفته می شود . البته در این دسته از محصولات بررسی هارمونیک ها ویژگی الزامی نمی باشد و ممکن است بعضی از کلمپ پاورمترها این امکان را داشته باشند .

پاورمتر : پاورمترها قابلیت اندازه گیری ولتاژ و جریان AC و DC و توان اکتیو و راکتیو و توان ظاهری را دارند . در واقع تفاوت اصلی آنها با دسته قبلی در این هست که امکانات یک کلمپ متر در آنها وجود ندارد اما به طور حتمی امکان اندازه گیری توان راکتیو و اکتیو در آنها وجود دارد . البته که همچنان مثل دسته قبلی امکان بررسی هارمونیک ها به طور حتمی وجود ندارد و در هنگام استفاده از یک پاورمتر حتما باید به مشخصات فنی آن دقت شود .

پاورآنالایزرهای تک فاز و 3 فاز : این دسته شامل پیشرفته ترین نوع پاورآنالایزر می باشد که در کنار ولتاژ , جریان , ضریب قدرت , توان اکتیو , توان راکتیو و ... به طور حتمی توانایی اندازه گیری و تحلیل هارمونیک ها و اعوجاج هارمونیک جریان و ولتاژ ( THDi و THDv ) و عدم تعادل فازها و در بعضی موارد بررسی وضعیت حالت گذرا را دارد . این نوع پاورآنالایزر معمولا به صورت تک فاز و 3 فاز ساخته می شوند . توجه شود که معمولا در محیط های صنعتی , کارخانه های بزرگ , محیط هایی که با اینورتر و درایو و ... سایر تجهیزات بار غیر خطی سر و کار دارند بهتر است از پاورآنالایزر 3فاز استفاده شود تا عملکرد هر 3 فاز به طور همزمان بررسی شود و کار راحت تر و سریع تر باشد 

نکته : منظور از حالت گذرا تغییر سریع مقدار ولتاژ و جریان بر اثر قطع و وصل یک تجهیز می باشد که معمولا توسط مولتی متر عادی قابل اندازه گیری نیست و نیاز به پاورآنالایزر پیشرفته دارد و چون این اتفاق سریع ممکن است به تجهیزات آسیب وارد کند حتما باید زمان و شدت اتفاق ثبت شود تا علت آن را در ادامه بررسی کنیم.

نکته ی مهم این هست که اگر یک پاورآنالایزر باید قابلیت اندازه گیری مقادیر RMS را برای ولتاژ و جریان داشته باشد تا بتواند THDi و THDv را داشته باشد 

ویژگی های تکمیلی پاورآنالایزرهای پیشرفته

بعضی از مشخصاتی که در ادامه بررسی خواهیم کرد الزاما در همه پاورآنالایزرها وجود ندارد اما دانستن آنها خالی از لطف نیست .

1. صفحه نمایش برداری ( Phasor ) :  اگر پاورآنالایزری دارای صفحه نمایش برداری باشد می توان در آن ترتیب فازها , زاویه فازها , اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان را به صورت گرافیکی ببینیم تا در صورت عدم اتصال درست سیم ها این موضوع را سریعا پیگیری کنیم .

پس در واقع صفحه نمایش برداری یک صفحه نمایش گرافیکی از ولتاژها و جریان ها و زاویه بین آنهاست و می توانیم اختلاف فاز ولتاژهای 3 فاز نسبت به همدیگه را نشان می دهد و همین طور جریان هر فاز نسبت به ولتاژ آن فاز با چه زاویه ای جلوتر یا عقب تر است و در نهایت عدم اتصال صحیح فازها بررسی شود. اگر اتصال فازها درست نباشد و مثلا جای دو فاز عوض شده باشد جهت چرخش موتور برعکس می شود . پس صفحه برداری کمک می‌کند بدون حدس‌زدن، ترتیب و زاویه فازها را بررسی کنیم

2. دیتالاگر : ثبت پارامترهای اندازه گیری شده مثل ولتاژ و جریان و توان و ... در طول زمان یکی از قابلیت های مهم یک پاورآنالایزر خوب است تا در زمان لازم داده های ثبت شده را بررسی کنیم . پس نکته ی اصلی داشتن همچین ویژگی برای یک پاورآنالایزر , مشاهده رفتار یک سیستم در طول زمان است نه صرفا ذخیره کردن داده ها .

پس اهمیت دیتالاگر این است که پاورآنالایزر فقط وضعیت لحظه‌ای را نشان نمی‌دهد؛ می‌تواند سابقه رفتار سیستم را هم در اختیارمان قرار دهد.

3 . جریان هجومی ( Inrush current ) : برای راه اندازی تجهیزاتی مثل موتور , ترانسفورماتور و برخی منابع تغذیه این پارامتر اهمیت دارد . جریان هجومی جریانی هست که در لحظه راه اندازی تجهیزات مورد نظر چندین برابر جریان عادی می باشد . مقدار این جریان و البته مدت زمان بودن آن توسط پاورآنالایزر قابل ثبت است تا مشخص شود که آیا این جریان طبیعی بوده و برای سیستم قابل تحمل هست یا خیر . 

4. امکان اتصال به نرم‌افزار تخصصی برای تحلیل و گزارش‌گیری داده‌های اندازه‌گیری‌شده

5 . اتصال به کامپیوتر و تحلیل گرافیکی : برای تحلیل های طولانی مدت , ذخیره اطلاعات , رسم نمودار , تهیه گزارش بسیار مناسب است مخصوصا برای عیب یابی سیستم های صنعتی .

6. پراب ولتاژ و کلمپ جریان :  نوع و رنج پراب ولتاژ و کلمپ جریان باید با دستگاه و مقدار سیگنال مورد اندازه‌گیری سازگار باشد. مثلاً کلمپ مناسب جریان‌های بالا با کلمپ جریان‌های پایین یکسان نیست.پس بسته به مدل و کاربرد، پاورآنالایزرها با پراب‌های ولتاژ و کلمپ‌های جریان با رنج‌های مختلف عرضه می‌شوند که باید متناسب با مقدار و نوع سیگنال مورد اندازه‌گیری انتخاب شوند.

نکات ایمنی و فنی

• بررسی مشخصات سیستم مورد نظر قبل از شروع کار : تک‌فاز یا سه‌فاز، AC یا DC و مقدار تقریبی ولتاژ و جریان.
• اهمیت رنج پراب ولتاژ و کلمپ جریان : عدم استفاده از کلمپ مخصوص جریان پایین برای جریان های بالا یا برعکس . البته باید بدانیم که برای پراب و کلمپ هم به طور جداگانه رده CAT و رنج ولتاژ مناسب تعریف شود . 
• بررسی رده ایمنی (CAT) دستگاه و پراب‌ها : حتما به این نکته باید دقت کنیم ایمنی پاورآنالایزر فقط به عدد ولتاژ قابل اندازه گیری محدود نمی شود. بررسی مفهوم CAT برای کار صنعتی اهمیت بالایی دارد و بررسی رنج اندازه‌گیری به تنهایی برای انتخاب دستگاه مناسب کافی نمی باشد. ما در تجهیزات برقی معمولا با CAT III و CAT IV بیشتر از همه سر و کار داریم . رنج CAT معمولا رده ایمنی مورد اندازه گیری می باشد. نه اینکه صرفا CAT IV  از CAT III قوی تر باشد. مثلا CAT III  برای تابلوهای توزیع، موتورهای ثابت و تجهیزات صنعتی و CAT IV برای نزدیک‌تر به ورودی برق ساختمان و منبع شبکه، مثل کنتور و ورودی سرویس کارایی دارد .
• بررسی نحوه اتصال صحیح فازها : مخصوصاً در اندازه‌گیری سه‌فاز، اتصال اشتباه فازها می‌تواند نتیجه توان و زاویه فاز را نادرست کند.
• توجه به توضیحات دفترچه راهنما : چون روش اتصال، رنج‌ها و محدودیت‌ها در مدل‌های مختلف فرق دارد