מהו מקדם K בשנאים ? ולמה הוא חשוב?

הקדמה

עומסים לא ליניאריים נמצאים בכל פינה בעולם החשמלי. ניתן למצוא כאלו במפעלים, בחוות שרתים, במשרדים ואפילו אצלנו בבית. המוצר הנפוץ ביותר הוא ספק כוח ממותג, אותו ניתן למצוא בכל מקום מחוץ לתעשייה: מפעלים, משרדים וכו'. אמנם הוא אינו לבד, וניתן לכלול גם את וסתי התדר, מערכות אל-פסק (UPS), תאורת LED ושרתים. המשותף לכולם הוא ספקי הכוח הממותגים, שאמנם מפחיתים את צריכת האנרגיה ומשפרים את הבקרה, אך גם מזריקים זרמים הרמוניים למערכת. הרמוניות אלו יוצרות חימום ומאמץ מכני נוסף על שנאי החלוקה, מקצרות את חיי הבידוד ומגדילות את הסיכון לניתוקים מטרידים או לכשלים מוקדמים של הציוד. כאן נכנס לתמונה מקדם ה-K של השנאי. מקדם ה-K של השנאי מציין עד כמה הוא יכול לשאת זרמים הרמוניים מבלי לחרוג ממגבלות עליית הטמפרטורה שלו.

במאמר זה נסביר מהי משמעות מקדם -K של שנאי, מהיכן מגיעות ההרמוניות, כיצד מוקצים מקדמי K, מהם היתרונות של עיצוב שנאי בעל מקדם K, התקנים הרלוונטיים וכיצד לבחור את השנאי המתאים בהתאם לערכי הרמוניות ידועים.

תמונה מספר 1 : תווית שנאי בעל מקדם K

הגדרת מקדם K לשנאים

מקדם ה-K הוא הערך הקובע את מידת יכולתו של שנאי להתמודד עם זרמים הרמוניים, תוך שמירה על טמפרטורה שאינה עולה מעבר לתחום התקין, גם בנוכחות הרמוניות. כאשר ( H ) הוא סדר ההרמוניה ו-(I_H) הוא חלק מזרם העומס הכולל בהרמוניה מסדר (H), מקדם ה-K נע בין 1 ל-50. שנאים בעלי מקדם K של 1 יכולים להתמודד עם עומסים ליניאריים בלבד, ואילו כאלו בעלי מקדם K של 50 מסוגלים לעמוד בהרמוניות קשות. כדי להשיג מקדמי K גבוהים יותר, יש לייצר שנאים המסוגלים לעמוד בחום נוסף הנגרם כתוצאה מהרמוניות אלו.
לשנאים בעלי מקדם K יש מספר רכיבים ייחודיים שהופכים אותם לעמידים במיוחד, כגון:
א. ליבה משודרגת.
ב. ליפופים משודרגים.
ג. הגנה אלקטרוסטטית.
ד. חיבור אפס מוגדל (כדי להתמודד עם הזרמים הגבוהים באפס).

א. ליבה משודרגת

לשנאים בעלי מקדם K יש תכנון ליבה מיוחד הנדרש לטיפול בהרמוניות. בתנאים רגילים, השדה המגנטי בליבה משנה קוטביות 50 פעמים בשנייה (50 הרץ). ההרמוניות הן, למעשה, כפולות של תדר היסוד של 50 הרץ. משמעות הדבר היא שהן גורמות למעבר הקוטביות להתרחש בתדירות גבוהה יותר. לדוגמה, השדה המגנטי מתחלף 300 פעמים בשנייה עבור ההרמוניה החמישית, 600 פעמים בשנייה עבור ההרמוניה ה-12, וכן הלאה. עלייה מהירה זו בתדירות גורמת להתחממות יתר בליבות רגילות. ליבות של שנאים בעלי מקדם K מתוכננות במיוחד להתמודד עם החום הנוסף הזה.

ב. ליפופים משודרגים שנועדו להתמודד עם הרמוניות

מבנה ליפופי המוליכים בשנאי בעל מקדם K תוכנן במיוחד כדי להגן עליו מפני חום הנוצר מהרמוניות. בשל התדר הגבוה של ההרמוניות (באופן יחסי), הן "דוחקות" באופן טבעי את האלקטרונים לעבר המשטח החיצוני של המוליך. תנועה זו מגבירה את ההתנגדות ויוצרת חום נוסף, בתופעה המכונה "אפקט הקרום".

תמונה מספר 2: התמונה מראה את האזור שבו זורם הזרם במוליך עקב הרמוניות בתדר גבוה, "שדוחקות" את האלקטרונים ממרכז המוליך אל אזור "עומק הקרום" של המוליך.

ג. הגנה אלקטרוסטטית

לרוב השנאים בעלי מקדם K כוללים סיכוך אלקטרוסטטי בין סלילי המתח הגבוה לסלילי המתח הנמוך. יריעת מתכת לא מגנטית זו מגנה על סלילי השנאי ועל האלקטרוניקה הרגישה של הצרכנים מפני הפרעות מתח. למעשה, הסיכוך האלקטרוסטטי אינו מטפל ישירות בהרמוניות, אך הוא מתמודד עם בעיות נלוות שמופיעות לעיתים קרובות עם הרמוניות. כלומר, אם למערכת חשמלית יש בעיות של הרמוניות, סביר להניח שיש בה גם בעיות איכות חשמל אחרות, כגון קפיצות מתח חולפות ורעש חשמלי. בעיות אלו עלולות לפגוע בשנאי ובציוד המחובר אליו. הסיכוך האלקטרוסטטי מנתב מחדש את הפרעות המתח המזיקות הללו הרחק מסלילי השנאי ומהאלקטרוניקה הרגישה, ובכך מגן הן על השנאי והן על המערכת המחוברת אליו.

ד. שטח חתך של אפס.

הרמוניות גורמות לעיתים קרובות לחימום של מוליך האפס בסלילים המחוברים בנקודת הכוכב. תופעה זו נפוצה במיוחד בעומסים חד-פאזיים גדולים, שבהם ניתן לצפות להרמוניות משולשות (3, 9, 15 וכן הלאה). כאשר קיימות הרמוניות משולשות בכל פאזה של המערכת, הן מצטברות במוליך האפס. הצטברות זו מפחיתה את כושר נשיאת הזרם של מוליך האפס, ואם רמת ההרמוניות המשולשות גבוהה מספיק, המוליך עלול להתחמם יתר על המידה, דבר שעשוי לגרום לכשל בבידוד, ובגלל שאנחנו לפני שמחת תורה יהיה לנו "שישו ושימחו" בגלל שריפה של השנאי.
שנאים בעלי מקדם K מתוכננים להגן על מוליך האפס (נקודת הכוכב) על ידי הגדלת שטח החתך שלו. בעוד שבשנאי רגיל שטח החתך של מוליך האפס הוא כחצי משטח החתך של הפאזה, בשנאי בעל מקדם K הוא עשוי להיות שווה או גדול יותר משטח החתך של הפאזה.

הפחתת ערכי השנאי

אחת השיטות להתמודד עם החום הנוסף שנוצר בשנאי, במקום לרכוש שנאי בעל מקדם K או כאשר זמן הייצור ארוך מדי, היא שימוש בשנאי בעל הספק גבוה יותר באופן מכוון, תוך הפעלתו ברמת העמסה נמוכה יותר. כלומר, מבצעים העמסה מקסימלית מתוכננת של 50–60 אחוז מערך ההספק הנקוב של השנאי. שיטה זו, המכונה הפחתת עוצמה (derating), מסייעת לטפל בחלק מהחום הנוסף, ומאפשרת לשנאי לפעול בסף הטמפרטורה התקני של הבידוד שלו.

מה המשמעות של מקדם K?

המקדם K הוא ערך המאפשר לקבוע את רמת ההרמוניות שבה השנאי מסוגל להתמודד מבלי לחרוג ממגבלות הטמפרטורה. רמה זו נקבעת על פי תקנים בינלאומיים (IEC 60076-7, IEEE C57.110). למעשה, שנאי בעל מקדם K גבוה יותר מסוגל להתמודד עם רמה גבוהה יותר של עיוות הרמוני.

טבלה מספר 1 : מקדמים של שנאים והצורך שלהם

כלל אצבע שימושי: ככל שההרמוניות הנמדדת (במיוחד השלישית, החמישית והשביעית) ואחוז העומס הלא ליניארי עולים, מקדם ה-K עולה, מקדם ה-K הוא מקדם השרידות התרמית של השנאי חשוב להבין כי הוא אינו מבטל או מונע הרמוניות (לשם כך, נדרשים פתרונות אחרים כגון פילטרים מסוגים שונים עליהם נדון במאמר הבא).

דוגמה מספרית

לצורך הדוגמה נניח ומדדנו במפעל קיים ערכי הרמוניות מסוימים המפעל סיים את חוזה הסחירות שלו והוא מתכנן לעבור למקום חדש עם הציוד הקיים נדרש לבחור שנאי עם מקדם K שיענה על צרכיו של אותו מפעל
מוצגים הערכי המדידה של הזרם.
ערך זרם RMS כולל:520 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 1: 420.67 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 2 : 23.78 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 3: 262.70 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 4: 18.66 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 5: 99.07 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 6: 71.00 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 7: 71.32 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 8: 17.50 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 9: 55.23 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 10: 5.46 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 11: 15.89 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 12: 4.22 אמפר
ערך מדידת זרם הרמוניה 13: 15.26 אמפר

פתרון

נתחיל להציב בטבלה את הנתונים בטבלה
נוסחה מספר 1 – שבה נשתמש אם I_RMS אינו נתון

על מנת לחשב את מקדם K נצטרך 2 נוסחאות בסיסיות
נוסחה מספר 2 – שבה נשתמש על מנת לחשב את מקדם K

H – הרמוניה.
I_HPU – יחס זרם ההרמוני.
K – מקדם K
I_RMS – הזרם ממוצע
נוסחה מספר 3 – שבה נחשב את הייחס הזרם ההרמוני

טבלה מספר 2 : חישוב באמצעות אקסל את המקדם K .

• ומהתוצאה הזו אנו למדים כי נדרש לבחור שנאי עם מקדם K של לפחות 6.738

מסקנות

הרמוניות הן בעיה נפוצה במערכות חשמל, אך קיימות דרכים יעילות לטפל בהן. אם אחד מהתרחישים שהוזכרו נשמע מוכר, ייתכן ששנאי בעל מקדם K יוכל לסייע. מומלץ להתחיל בבדיקת איכות חשמל כדי לקבוע את רמת ההרמוניות במערכת ואת היכולת שלה להתמודד עמן. למרות שהרמוניות הן תופעה שכיחה, אין להתעלם מהן. הזנחתן עלולה לגרום להתחממות יתר של שנאים, הפסדים כתוצאה מזמני השבתה ותקלות שונות. בחירה נכונה של שנאי בעל מקדם K מתאים, בהתבסס על ניתוח הרמוניות, תבטיח פעולה אמינה ותאריך את חיי השנאי.

בהצלחה.