اصول طراحی فیلتر هارمونیک

به علت کاربرد وسیع تجهیزات غیرخطی در شبکه قدرت، اعوجاجات هارمونیکی به عنوان مشکلی جدی در راستای افزایش عملکرد نادرست تجهیزات، افزایش تلفات و غیره مطرح میشود.

هر چه کاربرد این تجهیزات گسترش یابد، نیاز به وجود یک روش قابل اعتماد برای کاهش هارمونیک‌ها در مراحل مختلف طراحی، تحلیل و بهره‌برداری از سیستم‌های قدرت بیشتر احساس می‌گردد. لذا هم شرکت‌های تولید کننده انرژی الکتریکی و هم شرکت‌های مصرف‌کننده انرژی الکتریکی به دنبال روش‌های موثر کاهش اعوجاجات هارمونیکی میباشند.

اساساً هارمونیک مشکل‌ساز خواهد بود اگر:

۱- منبع جریان‌های هارمونیکی بسیار زیاد باشد.

۲- مسیری که جریان‌ها از آن عبور میکند خیلی طولانی باشد (بصورت الکترلیک)، که باعث اغتشاش زیاد ولتاژ و یا اغتشاشات تلفنی شود.

۳- پاسخ سیستم باعث تشدید یک یا چند هارمونیک شود.

زمانی که مشکلی اتفاق می‌افتد، راه‌های ساده‌ای که برای کنترل هارمونیک وجود دارد کاهش جریان‌های هارمونیکی در بارها است.

کاهش جریان‌های هارمونیکی درطراحی فیلتر

در کاهش قابل ملاحظه هارمونیک مربوط به تجهیزات در بار کار زیادی نمیشود انجام داد ، مگر اینکه آن‌ها بد کار کنند. هنگامی که یک ترانسفورماتوری فوق تحریک شده باشد توسط کاهش ولتاژ به حالت نرمال برگردانیده میشود، دستگاه های جرقه‌ساز و اکثر مبدل‌های الکتریکی در مشخصه طراحی شان کار میکنند.

محرک‌های PWM شین‌های خازن‌ dc را مستقیماً از خط برقرار میکنند و این کار بدون امپدانس انجام میگیرد که یکی از استثناهای این موضوع میباشد. اضافه کردن راکتور بصورت سری بمقدار قابل ملاحظه‌ای هارمونیک‌ها را کاهش میدهد و به همان اندازه برای حفاظت در حالت گذرا سودمند میباشد.

توسط اتصالات و سربندی ترانسفورماتورها در سیستم سه فاز میتوان هارمونیک را کاهش داد. با جابجایی نیمی از یک مبدل قدرت ۶ پالس در یک بار به اندازه ۳۰ درجه تقریباً مزیت بارهای ۱۲ پالس را پیدا خواهد کرد.

بصورت قابل ملاحظه‌ای هارمونیک‌های پنجم و هفتم را کاهش می‌دهد. اتصال مثلث ترانسفورماتور باعث جلوگیری از عبور هارمونیک‌های توالی صفر (عملاً مضرب سه‌ها) از جریان خط خواهد شد. ترانسفورماتورهای زیگزاک و اتصال زمین باعث جلوگیری هارمونیک‌های مضرب سه از جریان خط میشوند.

قرار دادن فیلتر موازی نزدیک به منبع اغتشاش باعث اتصال کوتاه کردن جریان‌های هارمونیکی میشود. این کار باعث میشود که این نوع جریان‌ها به منبع نرسد. این متداول‌ترین نوع فیلترگذاری است زیرا هم از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه بوده و هم باعث صاف کردن ولتاژ بار میشود همچنین باعث حذف جریان هارمونیکی میشود.

نوع دیگر فیلتر سری است که باعث مسدود کردن جریان‌های هرامونیکی میشود. این یک مدار تنظیم کننده موازی است که امپدانس بالایی برای جریان‌ هارمونیکی بوجود میآورد. این نوع فیلتر کم استفاده میشود زیرا نصب آن مشکل است و باعث مغشوش کردن ولتاژ بار میشود. یکی از کاربردهای متداول آن در سیم خنثای خازن ستاره است برای اینکه از عبور جریانهای مضرب سه جلوگیری شود در صورتی که فرکانس اصلی بخوبی عبور میکند. فیلترهای فعال بصورت الکترونیکی کار کرده و باعث تزریق هارمونیک جریان به بار غیر خطی میشود.

روش عمومی برای طراحی فیلترهای هارمونیک

– اعمال یک فیلتر موازی تنظیم شده و سپس طراحی آن برای پائین ترین فرکانس تولید شده.

– تعیین سطح اعوجاج ولتاژ در باس ولتاژ پائین.

– تغییر عناصر فیلتر بر اساس تلرانس های مشخص شده و بررسی تاثیرگذاری فیلترها.

– بررسی مشخصه پاسخ فرکانسی برای تائید اینکه تشدید موازی جدیدی نزدیک فرکانس هارمونیکی ایجاد نشود.

– در صورت لزوم، بررسی نیاز به فیلترهای متعدد از قبیل پنجم و هفتم یا سوم، پنجم و هفتم.

مقدار نامی خازن بایستی با مقدار استاندارد موجود در بازار مورد مقایسه قرار گیرد. مشخصه‌های راکتیو فیلتر بایستی شامل هر دو مشخصه مقادیر جریان هارمونیکی و مؤلفه اصلی باشد.

جریان هارمونیکی بایستی براساس فرضیات معقول مقادیر اعوجاج ناشی از از سایر منابع هم محاسبه شود. در این مورد فرض شده است اعوجاج ولتاژ سمت توزیع حدوداً‌  ۱ درصد است. مشخصه تنظیم شده فیلتر توسط  ضریب کیفیت Q توصیف شده است. Q معیاری است از تیزی تنظیم فیلتر و برای فیلتر سری مقاومتی بصورت زیر تعریف میشود.

که در آن:

R = عنصر مقاومتی سری فیلتر

N = هارمونیک مورد حذف

XL = راکتانس راکتور فیلتر در فرکانس اصلی

معمولاً‌ R فقط شامل مقاومت سیم‌بندی های اندوکتور است. در نتیجه مقدار Q بالا بوده و عمل فیلتر بسیار تیز (sharp) خواهد بود. این امر برای عملکرد متعارف تک فیلترها رضایت بخش است و موجب عملکرد اقتصادی فیلتر خواد شد. ولی گاهی اوقات مطلوب این است که تلفات کوچکی را به سیستم اعمال کنیم تا به میراشدن پاسخ سیستم کمک شود.

معمولاً یک مقاومت به صورت موازی به راکتور اضافه می شود تا به عنوان یک فیلتر بالاگذر عمل کند. فیلترهای بالاگذر عموماً برای هارمونیک های ۱۱ و ۱۳ و بالاتر استفاده میشود. معمولاً‌ عملکرد چنین فیلترهایی در هارمونیک‌های پنجم و هفتم به علت مقدار تلفات و اندازه مقاومت مقرون به صرفه نیستند.

بروز هارمونیک در سیستم های برق اولین پیامد عناصر غیرخطی در شبکه است. به‎‎‎ خاطر گسترش فزاینده استفاده از عناصر غیرخطی در سیستم‎‎ های برق، مانند راه ‎‎اندازها (درایورهای تنظیم سرعت) و مبدل‎ های الکترونیکی قدرت، مقدار هارمونیک شکل موج جریان و ولتاژ به ‎‎‎طور چشمگیری افزایش یافته است و بنابراین اهمیت موضوع کاملاً مشخص است . جستجوی منابع و مطالب تکنیکی دهه های قبل نشان می‎دهد که مقالات مختلفی دررابطه با این موضوع انتشار یافته است.

اولین منابع هارمونیکی شناخته‎‎ شده، ترانسفورماتورها بودند و اولین مشکل نیز در سیستم‎های تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپ‎ های قوس الکتریک به‎‎‎ دلیل مؤلفه‎ های هارمونیکی توجهات خاصی را برانگیخت ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدل‎های الکترونیک قدرت در سال‎های اخیر نبوده است. با توجه به توضیحات داده شده نیاز به حذف هارمونیک ها در شبکه قدرت مشخص است .

به طور خلاصه می توان روش های حذف هارمونیک ها را به سه دسته تقسیم بندی نمود :

راهکارهایی نظیر جابجایی محل خازنهای جبران توان راکتیو، جلوگیری از همزمانی استارت موتورهای بزرگ، تغییر آرایش شبکه قدرت و …که ارائه این راهکارها نیاز به دانش فنی بالا و توانایی در تحلیل وضعیت شبکه و بررسی شرایط دارد و یا خرید اینورترهای با هارمونیک پایین تر، تعویض موتور و سیستمهای کنترلی، تغییر بارهای غیر خطی و …که این روش نیز در اکثر مواقع به دلیل عدم امکان تعویض سیستم ها غیر قابل اجرا می باشد.

دسته سوم این روش ها ، راهکارهایی نظیر نصب فیلتر پسیو و فیلتر اکتیو و همچنین نصب تجهیزات پایدار کننده ولتاژ و فرکانس است .

جهت مشاوره خرید و استعلام قیمت، نصب و راه اندازی، راهنمایی و مشخصات فنی انواع فیلتر هارمونیک با کارشناسان دیزل صنعت تماس بگیرید. (۳۳۳۵۹۸۱۸ – ۰۴۱ ).