مدار فیلتر هارمونیک: نحوه حذف هارمونیک ها

مدار فیلتر هارمونیک: نحوه حذف هارمونیک ها با استفاده از فیلترهای هارمونیک فعال و غیرفعال

هارمونیک در سیستم الکتریکی چیست؟

در سیستم های برق، هارمونیک ها به عنوان مضرب های عدد صحیح مثبت از فرکانس پایه تعریف می شوند. هارمونیک یک ولتاژ یا جریان است که در چند برابر(مضرب های بالا) فرکانس پایه اتفاق می افتد. اغلب در خط برق به عنوان نویز قلمداد می شود.

هارمونیک های موجود در سیستم برق را می توان به دو نوع طبقه بندی کرد: هارمونیک های جریان و هارمونیک های ولتاژ.

هارمونیک های جریان القا شده از بار غیر خطی مانند VSD(درایوهای سرعت متغیر) میباشند. بارهای غیرخطی جریان رسم شده از خط برق به صورت یک شکل موج سینوسی کامل و مطلوب نیست. شکل موج جریان غیر سینوسی می تواند یک سری شکل موج های ترکیبی از نمونه های سینوسی ساده باشد که می تواند در یک عدد صحیح که مضربی از فرکانس پایه خط برق می باشد، نوسان کند.

در بیشتر موارد، هارمونیک های ولتاژ به وسیله هارمونیک های جریان ایجاد می شود. هارمونیک ولتاژ به وسیله ولتاژ ناهموار تولید شده ناشی از اثر هارمونیک جریان با امپدانس منبع ایجاد می شود.

تصویر فوق شکل موج جریان پریشان را در طول مسیر بار غیر خطی نشان می دهد. در اینجا شکل موج ناهموار جریان، موج سینوسی را دنبال نمی کند. این هارمونیک های جریان در سیستم برق را نشان می دهد.

چرا حذف هارمونیک ها در سیستم برق ضروری است؟

هارمونیک های جریان و ولتاژ به طور مستقیم با انتقال نویز(تداخل انرژی) به بار متناسب است. تجهیزات مختلف خانگی و اداری وظیفه هارمونیک سیستم برق را بر عهده دارند. هارمونیک های سیستم برق اغلب جریان بار را افزایش می دهند. تجهیزات مختلفی مانند چراغهای فلورسنت در کارخانه ها، خانه ها یا ادارات تحت تأثیر هارمونیک قرار گرفته و دچار نقص های مختلفی می شوند. موتورها به شدت تحت تأثیر هارمونیک های سیستم برق قرار دارند.

بعضی اوقات هارمونیک های موجود در سیستم های برق بسیار خطرناک است و باعث افزایش توان تحویل داده شده به تجهیزات می شود که منجر به افزایش دما در بار و سبب کاهش طول عمر دستگاه و استهلاک آن می شود.

برای غلبه بر این هارمونیک های سیستم برق، لازم است اتصال برق را برای هدایت بارهای غیرخطی و وارد کردن فیلترهای هارمونیک در سیستم نیرو بازسازی کنید.

انواع فیلترهای هارمونیک

فیلترهای هارمونیک برای محافظت از تجهیزات الکتریکی پرهزینه در برابر خروجی های برق نا هموار به دلیل هارمونیک، بسیار موثر است. انواع مختلفی از فیلترهای هارمونیک بسته به توان نامی، ولتاژ کاربردی، تک فاز یا سه فاز و سایر پارامترهای وابسته به بار، در بازار برق و الکترونیک موجود است.

با این حال، دو نوع فیلتر هارمونیک پایه وجود دارد که عبارتند از: فیلترهای هارمونیک (غیر فعال) Passive و فیلتر های هارمونیک)فعالActive (.

تفاوت پایه بین این دو نوع فیلتر هارمونیک در اجزای مورد استفاده برای طراحی فیلتر است. فیلترهای هارمونیک Passive به طور عمده از اجزای ساده Passive مانند مقاومت ها، سلف ها و خازن ها استفاده می کنند. در حالی که فیلترهای هارمونیک Active، از اجزای فعال مانند انواع مختلف BJT ، IGBT ، MOSFET و مدارهای مجتمع استفاده می کنند.

از آنجا که فیلترهای هارمونیک، تجهیزات ایمنی خط الکتریکی هستند، باید مورد تایید استانداردهای ایمنی بین المللی مانند IEEE ، EN ، AS ، BS و آزمایشگاه های تحت لیسانس UL باشند.

همچنین فیلترهای هارمونیک را می توان به شیوه های مختلف طراحی کرد. مانند یک نمونه از فیلترهای هارمونیک مرتبه سوم که می توانند خروجی فرکانسی که سومین مضرب از فرکانس پایه است را فیلتر کنند.

فیلترهای هارمونیک Passive

فیلترهای هارمونیک Passive، رایج ترین و در دسترس ترین فیلتر هارمونیکی هستند. این نوع فیلتر برای مقابله با اختلال هارمونیک در خط برق، فیلتر مقرون به صرفه است.

همانطور که قبلاً بحث شد، فیلترهای هارمونیک Passive، از اجزای استانداردPassive ، مانند سلف، خازن و مقاومت استفاده می کنند. از این مؤلفه های Passive، برای تشکیل مدار LC (tank) استفاده می شود. مدار Lc به روشی خاص طراحی شده است که با توجه به هارمونیک های ناخواسته می تواند در همان فرکانس رزونانس کار کند. فیلترهای هارمونیک Passive، مانع عبور هارمونیک های ناخواسته می شوند. فیلتر هارمونیک Passive، جریان هارمونیک را به گرما تبدیل کرده و از دستگاه یا بار نهایی محافظت می کند. فیلتر را می توان برروی یک فرکانس مشخص تنظیم کرد که باید به عنوان هارمونیک حذف شود.

به طور عمده چهار نوع فیلتر هارمونیک Passive، مورد استفاده قرار میگیرد:

• 1. فیلتر بالاگذر(High pass filter)
• 2. فیلتر میان گذر(Bandpass filter)
• 3. فیلتر نوع (C (C type filter
• 4. فیلتر سری یا مجوعه ای(Series filter)

فیلتر بالا گذر

از فیلترهای هارمونیک Passive بالا گذر برای از بین بردن هارمونیک های مرتبه بالاتر و کنترل منعطف تر بر روی طیف گسترده ای از فرکانس ها استفاده می شود. طراحی اولیه فیلتر هارمونیک بالا گذر از سه مؤلفه Passive، مقاومت، خازن و سلف استفاده می کند.

در تصویر بالا می توانیم ساختار پایه فیلتر هارمونیک بالا گذر را ببینیم. این ساختار نشان می دهد که مقاومت و سلف در اتصال موازی و یک خازن به صورت سری به آن ها متصل شده است. فیلتر خصوصیات امپدانس مسطح را در محدوده فرکانس بالا تولید می کند. فرکانس بالا باعث کاهش توان می شود.

این نوع فیلترها عمدتاً برای فیلتر کردن مرتبه 5th/ 6th یا مرتبه بالاتر جریان استفاده می شود. غالباً فیلترهای مختلف با فیلترهای هارمونیک بالا گذر ترکیب می شوند تا در هنگام استفاده در سیستم های کم مصرف یا فرکانس پایین، اتلاف انرژی را از بین ببرند.

منحنی امپدانس با فرکانس را می توان در تصویر زیر نشان داد.

فیلتر میان گذر

فیلتر هارمونیک میان گذر یک فیلتر تنظیم مجدد شده است. این نوع از دو خازن، دو سلف و یک مقاومت تشکیل شده است.

همچنین برای تصفیه هارمونیک های مرتبه بالا استفاده می شود. این فیلتر با ترکیب کردن رزونانس موازی فیلتر میان گذر استاندارد با رزونانس سری سلف و خازن ترکیب شده، کار می کند.

در تصویر بالا، شماتیک پایه فیلتر پهنای باند نشان داده شده است. مدار فیلتر دارای دو بخش است، در قسمت اول یک خازن C2 و سلف L2 به صورت سری و در بخش دوم یک مقاومت، سلف و یک خازن به طور موازی وصل می شوند. قسمت اول و بخش دوم نیز به صورت سری متصل می شوند.

ویژگی های امپدانس با فرکانس را می توان در نمودار زیر نشان داد.

فیلتر نوع C

از فیلتر نوع C برای تصفیه هارمونیک های مرتبه پایین نظیر مرتبه دوم یا سوم استفاده می شود. فیلترهای نوع C نسبت به میان گذر یا فیلتر سری تلفات کمتری دارند. فیلترهای نوع C شامل 4 مؤلفه Passive هستند، دو خازن، یک سلف و یک مقاومت.

در تصویر بالا، ساختار پایه فیلتر نوع c نشان داده شده است. یک خازن با یک سلف سری شده که مجدداً با یک مقاومت موازی می شوند. اتصال موازی سه مؤلفه دوباره با خازن دوم سری می شود. مقاومت جریان پایه ایجاد شده توسط نوسان سلف و خازن را از بین می برد.

منحنی امپدانس در تصویر زیر نشان داده شده است.

فیلتر سری

فیلتر سری به عنوان فیلتر هارمونیک Passive تک تنظیم نامیده می شود. این فیلتر ساده ترین خصوصیات ساختاری را دارد. فقط سه مؤلفهPassive ، یک خازن، سلف و مقاومت به صورت سری استفاده می شود. این فیلتر فرکانس واحد را از بین می برد. ساختار این فیلتر را می توانید در تصویر زیر مشاهده کنید که 3 جزء Passive به صورت سری به هم متصل شده اند تا فیلتر هارمونیک سری تک تنظیم را تشکیل دهند.

ویژگی امپدانس در تصویر زیر نشان داده شده است.

فیلترهای هارمونیک Active

همانطور که قبلاً بحث شد، فیلترهای هارمونیک Passive برای از بین بردن هارمونیک های مرتبط با خط برق خوب هستند. با این حال، طراحی فیلتر هارمونیک Passive واقعاً پیچیده است و طراح باید فیلترهای هارمونیک Passive را مطابق با توان راکتیو مورد نیاز بار طراحی کند. در چنین حالتی، طراحی فیلتر Passive بسیار دشوار است و منجر به عملکرد ضعیف توان برای شرایط خاص بار می شود.

در این مورد، فیلترهای Active برای رسیدگی به هارمونیک خط برق بدون توان راکتیو وابسته به فرکانس پایه بهتر است.

فیلترهای هارمونیک Active از یک روش عالی استفاده می کنند که در آن فیلتر از مولفه های هارمونیک خود ساخته استفاده می کند و آن را به خط برق تزریق می کند که باعث لغو هارمونیک های ناخواسته می شود.

انواع مختلفی از فیلترهای Active وجود دارد که از توپولوژیهای مختلف برای از بین بردن هارمونیک های موجود در خط برق استفاده می کنند.

رایج ترین طراحی فیلترهای هارمونیک Active از موارد اساسی زیر استفاده می کند

• 1. اینورتر منبع ولتاژ با استفاده از کلیدهای مختلف برق
• 2. نمونه گیری و کنترل مرجع از خط برق
• 3. سیستم PWM که پالس شلیک شده PWM را به عنوان هارمونیک به سیستم تزریق می کند.

فیلتر هارمونیک Activeاز نوع دیگری از سوئیچ های نیمه هادی استفاده می کند که برای کار کردن به برق نیاز دارد.

نحوه انتخاب فیلتر هارمونیک

تعیین فیلتر هارمونیک عالی کاملاً مشکل است. فرد باید فرکانس هارمونیکی را که فیلترها باید در آن تنظیم شوند را شناسایی کند. در برخی موارد، عملکرد فیلتر فقط به دلیل تنظیم اشتباه در یک فرکانس پایه خاص که هیچ هارمونیکی در آن وجود ندارد، شکست می خورد.

اولین قدم مهم شناسایی نظم هارمونیک ها و وابستگی نظم هارمونیک ها به فیلتر مورد نیاز انتخاب شده است. برای از بین بردن فرکانس واحد هارمونیک فیلترهای هارمونیک سری اعوجاج کارآمد هستند اما در برخی موارد فیلترهای هارمونیک نیاز به دو بار تنظیم برای کار دارند.

ضررهای موجود در فیلترها نیز باید جبران شوند كه به شدت به انتخاب فیلتر بستگی دارند. گاهی اوقات برای سطح بالایی از بارهای غیرخطی، هر دو نوع فیلتر هارمونیک فعال و غیرفعال نیاز است.

در ادامه توصیه می‌کنیم مقالات مرتبط به مفاهیم پایه‌ الکترونیک را هم مطالعه کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.