اصول طراحی فیلتر هارمونیک

به علت كاربرد وسيع تجهيزات غيرخطي در شبكه قدرت، اعوجاجات هارمونيكی به عنوان مشكلی جدی در راستاي افزايش عملكرد نادرست تجهيزات، افزايش تلفات و غيره مطرح میشود.

هر چه كاربرد اين تجهيزات گسترش يابد، نياز به وجود يك روش قابل اعتماد براي كاهش هارمونيك‌ها در مراحل مختلف طراحي، تحلیل و بهره‌برداری از سیستم‌های قدرت بیشتر احساس می‌گردد. لذا هم شركت‌های توليد كننده انرژی الكتريكی و هم شركت‌های مصرف‌كننده انرژی الكتريكی به دنبال روش‌های موثر كاهش اعوجاجات هارمونيكی میباشند.

اساساً هارمونيك مشكل‌ساز خواهد بود اگر:

1- منبع جريان‌هاي هارمونيكی بسيار زياد باشد.

2- مسيري كه جريان‌ها از آن عبور میكند خيلي طولانی باشد (بصورت الكترليك)، كه باعث اغتشاش زياد ولتاژ و يا اغتشاشات تلفنی شود.

3- پاسخ سيستم باعث تشديد يك يا چند هارمونيك شود.

زمانی كه مشكلی اتفاق مي‌افتد، راه‌های ساده‌ای كه برای كنترل هارمونيك وجود دارد كاهش جريان‌های هارمونيكی در بارها است.

كاهش جريان‌های هارمونيكی درطراحی فیلتر

در كاهش قابل ملاحظه هارمونيك مربوط به تجهيزات در بار كار زيادی نمیشود انجام داد ، مگر اينكه آن‌ها بد كار كنند. هنگامی كه يك ترانسفورماتوری فوق تحريك شده باشد توسط كاهش ولتاژ به حالت نرمال برگردانيده میشود، دستگاه هاي جرقه‌ساز و اكثر مبدل‌های الكتريكی در مشخصه طراحی شان كار میكنند.

محرك‌های PWM شين‌های خازن‌ dc را مستقيماً از خط برقرار میكنند و اين كار بدون امپدانس انجام میگيرد كه يكي از استثناهای اين موضوع میباشد. اضافه كردن راكتور بصورت سری بمقدار قابل ملاحظه‌ای هارمونيك‌ها را كاهش میدهد و به همان اندازه برای حفاظت در حالت گذرا سودمند میباشد.

توسط اتصالات و سربندی ترانسفورماتورها در سيستم سه فاز میتوان هارمونيك را كاهش داد. با جابجايی نيمی از يك مبدل قدرت 6 پالس در يك بار به اندازه 30 درجه تقريباً مزيت بارهاي 12 پالس را پيدا خواهد كرد.

بصورت قابل ملاحظه‌ای هارمونيك‌های پنجم و هفتم را كاهش مي‌دهد. اتصال مثلث ترانسفورماتور باعث جلوگيري از عبور هارمونيك‌هاي توالی صفر (عملاً مضرب سه‌ها) از جريان خط خواهد شد. ترانسفورماتورهای زيگزاك و اتصال زمين باعث جلوگيری هارمونيك‌های مضرب سه از جريان خط میشوند.

قرار دادن فيلتر موازی نزديك به منبع اغتشاش باعث اتصال كوتاه كردن جريان‌های هارمونيكی میشود. اين كار باعث میشود كه اين نوع جريان‌ها به منبع نرسد. اين متداول‌ترين نوع فيلترگذاری است زيرا هم از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه بوده و هم باعث صاف كردن ولتاژ بار میشود همچنين باعث حذف جريان هارمونيكی میشود.

نوع ديگر فيلتر سری است كه باعث مسدود كردن جريان‌های هرامونيكی میشود. اين يك مدار تنظيم كننده موازی است كه امپدانس بالايی براي جريان‌ هارمونيكی بوجود میآورد. اين نوع فيلتر كم استفاده میشود زيرا نصب آن مشكل است و باعث مغشوش كردن ولتاژ بار میشود. يكی از كاربردهای متداول آن در سيم خنثای خازن ستاره است براي اينكه از عبور جريانهای مضرب سه جلوگيری شود در صورتی كه فركانس اصلی بخوبی عبور میكند. فيلترهای فعال بصورت الكترونيكي كار كرده و باعث تزريق هارمونيك جريان به بار غير خطي میشود.

روش عمومی برای طراحی فیلترهای هارمونیک

– اعمال يك فيلتر موازی تنظيم شده و سپس طراحی آن براي پائين ترين فركانس توليد شده.

– تعيين سطح اعوجاج ولتاژ در باس ولتاژ پائين.

– تغيير عناصر فيلتر بر اساس تلرانس های مشخص شده و بررسی تاثيرگذاری فيلترها.

– بررسی مشخصه پاسخ فركانسی براي تائيد اينكه تشديد موازي جديدي نزديك فركانس هارمونيكي ايجاد نشود.

– در صورت لزوم، بررسي نياز به فيلترهای متعدد از قبيل پنجم و هفتم يا سوم، پنجم و هفتم.

مقدار نامی خازن بايستی با مقدار استاندارد موجود در بازار مورد مقايسه قرار گيرد. مشخصه‌های راكتيو فيلتر بايستی شامل هر دو مشخصه مقادير جريان هارمونيكی و مؤلفه اصلی باشد.

جريان هارمونيكی بايستی براساس فرضيات معقول مقادير اعوجاج ناشی از از ساير منابع هم محاسبه شود. در اين مورد فرض شده است اعوجاج ولتاژ سمت توزيع حدوداً‌  1 درصد است. مشخصه تنظيم شده فيلتر توسط  ضريب كيفيت Q توصيف شده است. Q معياري است از تيزي تنظيم فيلتر و براي فيلتر سری مقاومتی بصورت زير تعريف میشود.

كه در آن:

R = عنصر مقاومتی سری فيلتر

N = هارمونيك مورد حذف

XL = راكتانس راكتور فيلتر در فركانس اصلی

معمولاً‌ R فقط شامل مقاومت سيم‌بندی های اندوكتور است. در نتيجه مقدار Q بالا بوده و عمل فيلتر بسيار تيز (sharp) خواهد بود. اين امر براي عملكرد متعارف تك فيلترها رضايت بخش است و موجب عملكرد اقتصادی فيلتر خواد شد. ولي گاهی اوقات مطلوب اين است كه تلفات كوچكی را به سيستم اعمال كنيم تا به ميراشدن پاسخ سيستم كمك شود.

معمولاً يك مقاومت به صورت موازی به راكتور اضافه می شود تا به عنوان يك فيلتر بالاگذر عمل كند. فيلترهای بالاگذر عموماً براي هارمونيك هاي 11 و 13 و بالاتر استفاده میشود. معمولاً‌ عملكرد چنين فيلترهايی در هارمونيك‌های پنجم و هفتم به علت مقدار تلفات و اندازه مقاومت مقرون به صرفه نيستند.

بروز هارمونيك در سيستم های برق اولين پيامد عناصر غيرخطي در شبكه است. به‎‎‎ خاطر گسترش فزاينده استفاده از عناصر غيرخطی در سيستم‎‎ های برق، مانند راه ‎‎اندازها (درايورهاي تنظيم سرعت) و مبدل‎ های الكترونيكی قدرت، مقدار هارمونيك شكل موج جريان و ولتاژ به ‎‎‎طور چشمگيری افزايش يافته است و بنابراين اهميت موضوع كاملاً مشخص است . جستجوی منابع و مطالب تكنيكی دهه های قبل نشان مي‎دهد كه مقالات مختلفي دررابطه با اين موضوع انتشار يافته است.

اولين منابع هارمونيكی شناخته‎‎ شده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستم‎های تلفن پديد آمد. استفاده گروهی از لامپ‎ های قوس الكتريك به‎‎‎ دليل مؤلفه‎ های هارمونيكی توجهات خاصی را برانگيخت ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدل‎های الكترونيك قدرت در سال‎های اخير 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 ).