فیلتر هارمونیک و راکتور خط

با روند رو به رشد استفاده از روش های جدید کنترل سرعت و گشتاور در الکترو موتور ها به وسیله درایو ها و استفاده از کوره های القایی و سیستم های برق اضطراری در مراکز صنعتی و خدماتی در شبکه های فشار ضعیف شاهد افزایش روز افرون مصرف کنندگانی هستیم که جریان مصرفی غیر سینوسی بوده که موجب ایجاد اعوجاج در شکل موج سینوسی شبکه میشود.  که این اعوجاج ها را میتوان با بسط دادن سری فوریه بشکل موج های پریودیک غیر سینوسی بیان کرد که این شکل موج های غیر سینوسی هارمونیک نام دارند. همچنین مراکز صنعتی تنها تولید کننده این هارمونیک ها نیستند و مصارف خانگی نیز به دلیل وجود بارهای غیر خطی مولد هارمونیک های مزاحم هستند.

به دلیل وجود بار های غیرخطی در اکثر صنایع و کارحانجات، مانند درایو های کنترل سرعت موتور، کوره های القایی، یو پی اس ها و غیره که منجر به ایجاد هارمونیک و کاهش کیفیت توان در شبکه می‌شود، فیلتر هارمونیک راهکاری موثر برای حل مشکل هارمونیک در تجهیزات است. فیلتر های هارمونیک همانند یک دروازه در مقابل ورود این هارمونیک های مزاحم به داخل شبکه عمل میکنند.

انواع فیلتر هارمونیک

فیلتر های هارمونیک در دو نوع پسیو و اکتیو ساخته و طراحی میشوند که از نظر ساختار و عملکرد متفاوت از یکدیگر هستند. فیلتر های هارمونیک پسیو که مرسوم ترین نوع فیلتر های هارمونیک هستند، به وسیله ایجاد رزونانس در فرکانس های تنظیم شده برابر با فرکانس هارمونیک موجود در سیستم عمل فیلتر هارمونیک های مزاحم را انجام میدهند. در مقابل فیلتر های هارمونیک اکتیو به روش تزریق هارمونیک برابر با هارمونیک موجود در سیستم با 180 درجه اختلاف فاز عمل فیلتر هارمونیک را انجام میدهند و در توضیح ساده برخلاف نوع فیلتر های هارمونیک پسیو که هارمونیک های مزاحم را با ایجاد مسیر با امپدانس کمتر از امپدانس شبکه از سیستم خارج میکنند، فیلتر های اکتیو بر خلاف فیلتر های هارمونیک پسیو این کار را با خنثی سازی هارمونیک های موجود انجام میدهند و عمل فیلتر کردن هارمونیک را با دقت بالاتری نسبت به فیلتر های هارمونیک پسیو انجام میدهند ولی این روش فیلترینگ هزینه بسیار بیشتری را نسبت به فیلتر های پسیو دارند و محدودیت های بیشتری در توان های بالا دارند و از این رو فیلتر های هارمونیک پسیو مزایای بیشتری از جمله هزینه کمتر و قابلیت استفاده در توان های بالا را دارند. ولی در مقابل این مزایا فیلتر های هارمونیک پسیو معایبی مانند مشکل رزونانس نا خواسته که منجر به تخریب فیلتر میشود را دارند که نیاز به طراحی دقیق و سیستم حفاظتی در برابر اضافه جریان و اضافه ولتاژ را دارند که این مشکل رفع شود. فیلتر های پسیو به دو نوع اصلی tuned  و detuned  تقسیم میشوند.

مزایای فیلتر هارمونیک

فیلتر های هارمونیک مزایای بیشماری دارند که مهترین آنها افزایش کیفیت توان در شبکه و سیستم الکتریکی کارخانجات و افزایش عمر تجهیزات موجود در کارخانه ها از جمله ترانسفورمر‌ها و الکتروموتور های استفاده شده است. وجود هارمونیک موجب اشباع شدن ترانسفورمر ها میشود، که منجر به بزرگ شدن سایز ترانسفورمر میشود، وجود هارمونیک در سیستم منجر به افزایش حرارت و شکست عایقی در الکتروموتور ها میشود که در بهترین حالت منجر به افزایش تلفات و کاهش عمر میشود. از دیگر مزایای فیلتر های هارمونیک جلوگیری از ایجاد رزونانس به دلیل وجود هارمونیک در بانک های خارنی اصلاح ضریب توان است که وجود هارمونیک در تاسیساتی که دارای بانک های خارنی هستند منجر به منفجر شدن خارن ها میشود. هارمونیک ها که ضرایبی از هارمونیک اصلی سیستم هستند به نسبت ضریب هارمونیک، دارای فرکانس بالاتری نسبت به فرکانس اصلی سیستم است که موجب ایجاد اختلالات الکترومغناطیسی یا همان EMI در قطعات الکترونیک مانند درایو های کنترل سرعت موتور، یو پی اس ها و ایجاد اختلال در دقت سنسور های اندازی گیری میشود که با نصب فیلتر هارمونیک این مشکل نیز رفع میشود.

اجزای اصلی فیلترهای هارمونیک

فیلتر های هارمونیک پسیو از سه قسمت اصلی رگلاتور و سیستم حفاظت، راکتور ها و خارن تشکیل میشود که به نسبت پیکربندی راکتور ها و خازن ها کاربرد های متفاوتی از هم دارند و میتوانند بصورت سری و موازی متصل شوند. این فیلتر ها دارای ساختار های متفاوتی مانند فیلتر پایین گذر، بالا گذر و تک تنظیم هستند.

بر خلاف فیلتر هارمونیک پسیو، فیلتر های هارمونیک نوع آکتیو از قطعات الکترویک قدرت ساخته میشوند که این فیلتر های از نظر عملکردی بسیار شبیه به سیکلو کانورتر ها یا همان درایو های AC-AC هستند.

در طراحی فیلتر های هارمونیک ولتاژ خط به خط شما برای استفاده از این تجهیز باید حداکثر 400 ولت اسمی باشد با قرارگیری این سلف (راکتور  یا فیلتر هارمونیک خازنی ) در مسیر خازن ، موجب میشود که خازن ولتاژ 430 ولت را متحمل شود و در این حالت باید در انتخاب خازن دقت شود.

راکتور های استفاده شده در فیلتر هارمونیک

خازن های ولتاژ بالا برای استفاده در فیلتر پسیو

رگلاتور برای انجام عمل کلید زنی پله ای