- Τι είναι η αρμονική στο ηλεκτρικό σύστημα;
- Γιατί είναι απαραίτητο να εξαλειφθούν οι αρμονικές στο σύστημα ισχύος;
- Τύπος αρμονικών φίλτρων
- Παθητικά αρμονικά φίλτρα
- Ενεργά αρμονικά φίλτρα
- Πώς να επιλέξετε αρμονικά φίλτρα
Τι είναι η αρμονική στο ηλεκτρικό σύστημα;
Στα συστήματα ισχύος, οι αρμονικές ορίζονται ως θετικά ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας. Harmonic είναι μια τάση ή ρεύμα συμβαίνει σε πολλαπλάσιο της θεμελιώδους συχνότητας. Συχνά θεωρείται ως θόρυβος στο ηλεκτροφόρο καλώδιο.
Οι αρμονικές στο σύστημα ισχύος μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους: τρέχουσες αρμονικές και αρμονικές τάσης.
Οι τρέχουσες αρμονικές που προκαλούνται από το μη γραμμικό φορτίο, όπως VSDs (μεταβλητές ταχύτητες). Τα μη γραμμικά φορτία αντλούν ρεύμα από το ηλεκτροφόρο καλώδιο που δεν βρίσκεται σε τέλεια ημιτονοειδή κυματομορφή. Η μη-ημιτονοειδής κυματομορφή ρεύματος μπορεί να είναι μια πολύπλοκη σειρά απλών ημιτονοειδών που μπορεί να ταλαντεύεται σε ακέραιο, πολλαπλάσιο της θεμελιώδους συχνότητας του ηλεκτροφόρου δικτύου.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι αρμονικές τάσης προκαλούνται από τις τρέχουσες αρμονικές. Η αρμονική τάσης συμβαίνει λόγω της παραμορφωμένης τάσης που παράγεται από την επίδραση των τρεχόντων αρμονικών με την αντίσταση πηγής.
Η παραπάνω εικόνα δείχνει την κυματομορφή που βρίσκεται σε κατάσταση αναστάτωσης στο μη γραμμικό φορτίο. Εδώ η παραμορφωμένη τρέχουσα κυματομορφή δεν ακολουθεί το ημιτονοειδές κύμα. Αυτό δείχνει τις τρέχουσες αρμονικές στο σύστημα ισχύος.
Γιατί είναι απαραίτητο να εξαλειφθούν οι αρμονικές στο σύστημα ισχύος;
Το ρεύμα και οι αρμονικές τάσης είναι άμεσα ανάλογες με τη θορυβώδη μεταφορά ισχύος στο φορτίο. Διάφοροι οικιακοί και εξοπλισμοί γραφείου είναι υπεύθυνοι για τις αρμονικές στο σύστημα ισχύος. Οι αρμονικές του συστήματος ισχύος αυξάνουν συχνά το ρεύμα φορτίου. Διάφορα όργανα, όπως τα φώτα φθορισμού στα εργοστάσια ή στο σπίτι ή το γραφείο, επηρεάζονται από αρμονικές και πάσχουν από διάφορες δυσλειτουργίες. Οι κινητήρες επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τις αρμονικές του συστήματος ισχύος.
Μερικές φορές οι αρμονικές στα συστήματα ισχύος μπορεί να είναι πολύ επικίνδυνες και να αυξάνουν την ισχύ που παρέχεται στα όργανα που οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας στο φορτίο και μπορεί να μειώσει τη διάρκεια ζωής του οργάνου.
Για να ξεπεραστούν αυτές οι αρμονικές του συστήματος ισχύος, πρέπει να ανακατασκευαστεί η σύνδεση ισχύος για την οδήγηση μη γραμμικών φορτίων και να εισαχθούν φίλτρα αρμονικών στο σύστημα ισχύος.
Τύπος αρμονικών φίλτρων
Τα φίλτρα Harmonics είναι πολύ αποτελεσματικά για την προστασία του δαπανηρού ηλεκτρικού εξοπλισμού από παραμορφωμένες εξόδους ισχύος λόγω αρμονικών. Υπάρχουν διάφοροι τύποι φίλτρων αρμονικών στην αγορά ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών, ανάλογα με την ονομαστική ισχύ, την εφαρμοζόμενη τάση, τη μονοφασική ή τρεις φάσεις και άλλες παραμέτρους που εξαρτώνται από το φορτίο.
Ωστόσο, υπάρχουν δύο κύριοι τύποι φίλτρων αρμονικών που είναι τα παθητικά αρμονικά φίλτρα και το ενεργό αρμονικό φίλτρο.
Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τύπων αρμονικών φίλτρων είναι τα συστατικά που χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό του φίλτρου. Τα παθητικά αρμονικά φίλτρα χρησιμοποιούν απλά παθητικά εξαρτήματα κυρίως αντιστάσεις, επαγωγείς και πυκνωτές. Ενώ τα ενεργά αρμονικά φίλτρα χρησιμοποιούν ενεργά συστατικά όπως διαφορετικούς τύπους BJTs, IGBTs, MOSFET και ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Δεδομένου ότι τα φίλτρα αρμονικών είναι ο ηλεκτρικός εξοπλισμός ασφαλείας γραμμής, πρέπει να επιβεβαιώσουν τα διεθνή πρότυπα ασφαλείας, όπως το IEEE, EN, AS, BS και τα εργαστήρια UL του αναδόχου.
Επίσης, τα φίλτρα αρμονικών μπορούν να σχεδιαστούν με διαφορετικές παραγγελίες. Όπως μια τρίτη σειρά, τα αρμονικά φίλτρα μπορούν να φιλτράρουν τη συχνότητα που είναι το τρίτο πολλαπλάσιο της θεμελιώδους συχνότητας.
Παθητικά αρμονικά φίλτρα
Τα παθητικά αρμονικά φίλτρα είναι το πιο κοινό και το εύκολα διαθέσιμο αρμονικό φίλτρο. Είναι προσιτό φίλτρο για την καταστολή της αρμονικής διαταραχής στο ηλεκτροφόρο καλώδιο.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα παθητικά αρμονικά φίλτρα χρησιμοποιούν τυπικά παθητικά εξαρτήματα όπως επαγωγείς αντιστάσεων και πυκνωτές. Αυτά τα παθητικά εξαρτήματα χρησιμοποιούνται για να σχηματίσουν ένα κύκλωμα δεξαμενής. Το κύκλωμα δεξαμενής έχει σχεδιαστεί με ειδικό τρόπο, ώστε να μπορεί να λειτουργεί με την ίδια συχνότητα συντονισμού σε σχέση με τις ανεπιθύμητες αρμονικές. Τα παθητικά αρμονικά φίλτρα εμποδίζουν τις ανεπιθύμητες αρμονικές να περάσουν. Το παθητικό αρμονικό φίλτρο μετατρέπει το αρμονικό ρεύμα σε θερμότητα και προστατεύει την τελική συσκευή ή το φορτίο. Το φίλτρο μπορεί να συντονιστεί σε μια συγκεκριμένη συχνότητα που πρέπει να εξαλειφθεί ως αρμονικές.
Υπάρχουν κυρίως τέσσερις τύποι παθητικών αρμονικών φίλτρων που χρησιμοποιούνται:
1. Φίλτρο υψηλής διέλευσης
2. Φίλτρο ζώνης διέλευσης
3. Φίλτρο τύπου C και
4. Φίλτρο σειράς.
Φίλτρο υψηλής διέλευσης
Τα παθητικά παθητικά αρμονικά φίλτρα χρησιμοποιούνται για την εξάλειψη αρμονικών υψηλότερης τάξης και για ευέλικτο έλεγχο του μεγάλου εύρους συχνοτήτων. Ο βασικός σχεδιασμός υψηλής αρμονικής φίλτρου χρησιμοποιεί τρία παθητικά εξαρτήματα, αντίσταση, πυκνωτή και επαγωγέα.
Στην παραπάνω εικόνα, μπορούμε να δούμε τη βασική κατασκευή ενός παθητικού αρμονικού φίλτρου. Η κατασκευή δείχνει την αντίσταση και ο επαγωγέας είναι σε παράλληλη σύνδεση ένας πυκνωτής σε σειρά. Το φίλτρο παράγει επίπεδα επίπεδης σύνθετης αντίστασης στο εύρος υψηλής συχνότητας. Η υψηλή συχνότητα μειώνει την απώλεια ισχύος.
Αυτός ο τύπος φίλτρων χρησιμοποιείται κυρίως για το φιλτράρισμα 5 ου / 6η ή υψηλότερη τρέχουσα παραγγελία. Συχνά συνδυάζονται διαφορετικά φίλτρα με αρμονικά φίλτρα υψηλής διέλευσης για την εξάλειψη της απώλειας ισχύος όταν χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές χαμηλής τάξης ή χαμηλής συχνότητας.
Η καμπύλη σύνθετης αντίστασης με τη συχνότητα φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.
Φίλτρο ζώνης διέλευσης
Το αρμονικό φίλτρο Bandpass είναι ένα φίλτρο διπλού συντονισμού. Το αρμονικό φίλτρο bandpass αποτελείται από δύο πυκνωτές, δύο επαγωγείς και μία αντίσταση. Χρησιμοποιείται επίσης για σκοπούς αρμονικής διήθησης υψηλής τάξης. Αυτό το φίλτρο λειτουργεί με τον συνδυασμό παράλληλου συντονισμού του τυπικού φίλτρου ζώνης ζώνης μαζί με τη σειρά συντονισμού επαγωγέα και πυκνωτή σε συνδυασμό.
Στην παραπάνω εικόνα εμφανίζεται το βασικό σχηματικό φίλτρο ζώνης. Το κύκλωμα φίλτρου έχει δύο μέρη, στο πρώτο μέρος ένας πυκνωτής C2 και ο επαγωγέας L2 συνδέονται σε σειρά ενώ στο δεύτερο μέρος μια αντίσταση, ένας επαγωγέας και ένας πυκνωτής συνδέονται παράλληλα. Το πρώτο μέρος και το δεύτερο μέρος συνδέονται επίσης σε σειρά.
Τα χαρακτηριστικά σύνθετης αντίστασης με τη συχνότητα φαίνονται στο παρακάτω γράφημα.
Φίλτρο τύπου Γ
Το φίλτρο τύπου C χρησιμοποιείται για σκοπούς αρμονικής διήθησης δεύτερης ή τρίτης τάξης. Τα φίλτρα τύπου C έχουν χαμηλότερη απώλεια από το αντίστοιχο εύρος ζώνης ή το φίλτρο σειράς.
Τα φίλτρα τύπου C αποτελούνται από 4 παθητικά εξαρτήματα - δύο πυκνωτές, έναν επαγωγέα και μία αντίσταση.
Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται η βασική κατασκευή φίλτρου τύπου c. Ένας πυκνωτής συνδέεται σε σειρά ενός επαγωγέα που συνδέεται και πάλι παράλληλα με την αντίσταση. Η παράλληλη σύνδεση τριών συστατικών συνδέεται και πάλι εν σειρά με έναν δεύτερο πυκνωτή.
Η αντίσταση καταστέλλει το θεμελιώδες ρεύμα που δημιουργείται από τον ταλαντωμένο επαγωγέα και πυκνωτή.
Η καμπύλη σύνθετης αντίστασης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα-
Φίλτρο σειράς
Το φίλτρο σειράς ονομάζεται παθητικό φίλτρο αρμονικής καταστολής μονής ρύθμισης. Αυτό το φίλτρο έχει τις πιο απλές κατασκευαστικές ιδιότητες. Μόνο τρία παθητικά εξαρτήματα - ένας πυκνωτής, ένας επαγωγέας και μια αντίσταση χρησιμοποιούνται σε σειρά. Αυτό το φίλτρο εξαλείφει μία μόνο συχνότητα.
Η κατασκευή αυτού του φίλτρου φαίνεται στην παρακάτω εικόνα όπου 3 παθητικά εξαρτήματα συνδέονται σε σειρά για να σχηματίσουν ένα αρμονικό φίλτρο σειράς.
Το χαρακτηριστικό σύνθετης αντίστασης εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα -
Ενεργά αρμονικά φίλτρα
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα παθητικά φίλτρα αρμονικών είναι καλά για την εξάλειψη των αρμονικών που σχετίζονται με το ηλεκτροφόρο καλώδιο. Ωστόσο, ο σχεδιασμός παθητικών αρμονικών φίλτρων είναι πολύ περίπλοκος και ο σχεδιαστής πρέπει να σχεδιάσει τα παθητικά αρμονικά φίλτρα σύμφωνα με τις απαιτήσεις άεργης ισχύος του φορτίου. Σε μια τέτοια περίπτωση, ο σχεδιασμός του παθητικού φίλτρου είναι πολύ δύσκολος και οδηγεί σε κακή λειτουργία του συντελεστή ισχύος για ορισμένες συνθήκες φορτίου.
Σε αυτό το θέμα, τα ενεργά φίλτρα είναι καλύτερα να χειρίζονται τις αρμονικές του αγωγού ισχύος χωρίς τις εξαρτήσεις άεργου ισχύος της βασικής συχνότητας.
Τα ενεργά αρμονικά φίλτρα χρησιμοποιούν μια εξαιρετική μέθοδο όπου το φίλτρο χρησιμοποιεί αυτοπαραγόμενα αρμονικά εξαρτήματα και το εγχέει στο ηλεκτροφόρο καλώδιο που ακυρώνει τις ανεπιθύμητες αρμονικές.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι ενεργών φίλτρων που χρησιμοποιούν διαφορετικές τοπολογίες για την εξάλειψη των αρμονικών στο ηλεκτροφόρο καλώδιο.
Η πιο κοινή σχεδίαση ενεργών αρμονικών φίλτρων χρησιμοποιεί τα ακόλουθα βασικά πράγματα όπως
1. Μετατροπέας πηγής τάσης χρησιμοποιώντας διάφορους διακόπτες ισχύος
2. Αναφορά δειγματοληψίας και ελέγχου από το ηλεκτροφόρο καλώδιο
3. Σύστημα PWM που εγχέει παλμό πυροδότησης PWM στο σύστημα ως αρμονικές.
Το φίλτρο Active Harmonic χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό είδος διακοπτών ημιαγωγών που απαιτεί ισχύ για να λειτουργήσει.
Πώς να επιλέξετε αρμονικά φίλτρα
Ο προσδιορισμός του τέλειου αρμονικού φίλτρου είναι αρκετά δύσκολος. Κάποιος πρέπει να προσδιορίσει την αρμονική συχνότητα με την οποία τα φίλτρα πρέπει να συντονιστούν. Σε μερικές περιπτώσεις, η λειτουργία του φίλτρου αποτυγχάνει να εξυπηρετήσει τον σκοπό μόνο λόγω λανθασμένου συντονισμού σε μια συγκεκριμένη θεμελιώδη συχνότητα όπου δεν υπάρχουν αρμονικές.
Το πρώτο σημαντικό βήμα είναι να προσδιορίσετε τη σειρά των αρμονικών και ανάλογα με την αρμονική σειρά πρέπει να επιλέξετε το φίλτρο. Για την εξάλειψη μιας σειράς αρμονικών παραμορφώσεων, τα αρμονικά φίλτρα είναι αποτελεσματικά, αλλά σε μερικές περιπτώσεις πρέπει να χρησιμοποιηθούν φίλτρα αρμονικών διπλού συντονισμού.
Οι απώλειες στα φίλτρα πρέπει επίσης να αντισταθμιστούν οι οποίες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την επιλογή του φίλτρου. Μερικές φορές για υψηλό επίπεδο μη γραμμικών φορτίων, απαιτούνται ενεργά και παθητικά και τα δύο είδη αρμονικών φίλτρων.