فیلترهای هارمونیک: راه حل جامع برای کاهش اعوجاج در سیستم های الکتریکی

فیلترهای هارمونیک: راه حل جامع برای کاهش اعوجاج در سیستم‌های الکتریکی

مقدمه:

در دنیای صنعت و سیستم‌های الکتریکی، اعوجاج هارمونیک یکی از چالش‌های اصلی است که می‌تواند باعث کاهش بازدهی، افزایش هزینه‌های انرژی و حتی آسیب به تجهیزات شود. فیلترهای هارمونیک به عنوان یک راه حل موثر، این مشکلات را برطرف می‌کنند. در این مقاله، به بررسی کامل فیلترهای هارمونیک، نحوه عملکرد آن‌ها و مزایای استفاده از آن‌ها می‌پردازیم.

---

فیلترهای هارمونیک چیست؟

فیلترهای هارمونیک دستگاه‌هایی هستند که برای کاهش یا حذف هارمونیک‌ها در سیستم‌های الکتریکی استفاده می‌شوند. هارمونیک ها، فرکانس‌های ناخواسته‌ای هستند که در اثر استفاده از بارهای غیرخطی مانند اینورترها، درایوهای فرکانس متغیر و منابع تغذیه سوئیچینگ ایجاد می‌شوند. این اعوجاج‌ها می‌توانند باعث گرمایش بیش از حد، افزایش تلفات انرژی و اختلال در عملکرد تجهیزات شوند.

هدف از فیلترهای هارمونیک جلوگیری از عبور جریان هارمونیک از طریق امپدانس شبکه و کاهش یا حذف ولتاژ هارمونیک یا حذف کامل جریان هارمونیک است. فیلتر هارمونیک گزینه‌ای برای مصرف کنندگان و اپراتورهای شبکه است. دو فناوری فیلتر وجود دارد که باید در نظر گرفته شود: فیلترهای غیرفعال و فیلترهای فعال.

در مورد فیلترهای غیر فعال، طرح‌های زیادی در حال استفاده هستند (مثلاً تک کوک، دو تنظیم، نوع c). صرف نظر از طراحی، تئوری پشت فیلترهای غیرفعال ارائه یک مدار شنت است که به عنوان امپدانس کم نسبت به نظم‌های هارمونیکی که باید فیلتر شوند ارائه می‌شود. در این حالت، جریان هارمونیک از طریق این مسیر امپدانس کم به جای مسیر امپدانس بالاتر شبکه ارائه شده توسط شبکه جریان می‌یابد که منجر به اعوجاج ولتاژ کمتر می‌شود.

فیلتر هارمونیک غیرفعال با طراحی ترکیبی از خازن‌ها و سلف‌هایی که یک رزونانس سری (یعنی امپدانس بسیار کم) را به ترتیب هارمونیک که قرار است فیلتر شوند نشان می‌دهند، به دست می‌آید. در برخی موارد ممکن است بانک‌های خازن تصحیح کننده ضریب توان را برای ارائه فیلتر هارمونیک تنظیم کنید.

فیلترهای هارمونیک فعال دستگاه‌های الکترونیکی قدرتی هستند که از اجزای سوئیچینگ برای تولید شکل موج‌هایی استفاده می‌کنند که کاملاً خارج از فاز هستند تا ترتیب هارمونیک فیلتر شود. این شکل‌های موج خارج از فاز جریان هارمونیک را خنثی می‌کنند و در نتیجه اعوجاج را از بین می‌برند.

فیلترهای هارمونیک فعال نسبت به فیلترهای غیر فعال انعطاف پذیرتر هستند و همچنین دارای مزیت‌عدم تغییر امپدانس شبکه هستند. با این حال، اجرای آن‌ها ممکن است دشوار باشد و گرانتر از فیلترهای غیرفعال هستند.

---

انواع فیلترهای هارمونیک

1. فیلترهای هارمونیک پسیو (غیرفعال):

   • فیلترهای هارمونیک منفعل، که در آن یک سری از سلف‌ها و خازن‌ها سعی می‌کنند اجزای فرکانس بالا را فیلتر کنند و از رسیدن آن‌ها به شبکه جلوگیری کنند. این مشکل این است که تحت تأثیر هارمونیک‌های خارجی در شبکه اصلی قرار می‌گیرد و می‌تواند بیش از حد گرم شود. جلوگیری از جذب هارمونیک‌های خارجی توسط فیلتر غیرممکن است و اندازه گیری چنین فیلترهایی بسیار سخت است زیرا اثر هارمونیک‌های خارجی به راحتی قابل شناسایی و طراحی نیست.

   • فیلترهای غیرفعال از اجزای واکنش‌پذیر مانند خازن ها، سلف‌ها و مقاومت‌ها تشکیل شده اند. آن‌ها به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که یک مسیر امپدانس پایین برای جریان‌های خاص با فرکانس‌های هارمونیک نامطلوب فراهم کنند. برخی از مشکلات احتمالی ممکن است در سیستم‌های غیرفعال رخ دهد، اگر به درستی انتخاب نشوند، در نتیجه مدارهای تشدید موازی با منبع برق منجر به شرایط کیفیت توان بدتر می‌شوند.
   • این فیلترها از ترکیب خازن، سلف و مقاومت ساخته شده اند.
   • برای حذف هارمونیک‌های خاصی طراحی شده اند.
   • هزینه پایین‌تری دارند اما محدودیت‌هایی در تطبیق‌پذیری دارند.

2. فیلترهای هارمونیک اکتیو (فعال):

   • فیلترهای هارمونیک فعال، جایی که یک قسمت جلویی فعال مبتنی بر نیمه هادی (شبیه به قسمت جلویی فعال VSD) فرکانس‌های هارمونیک تولید شده توسط درایوها را شناسایی و اندازه گیری می‌کند و مقادیر مساوی جریان هارمونیک را در ضد فاز به هارمونیک‌های تولید شده تزریق می‌کند. اینها حذف می‌شوند و در نتیجه سطح هارمونیک قابل قبولی ایجاد می‌شود. یکی از بزرگترین مزایای این واحدها این است که کنترل شده و جریان محدود هستند و از حد حرارتی خود فراتر نمی‌روند. این بدان معنی است که اگر هارمونیک‌ها باید افزایش یابد، واحد بیش از حد گرم نمی‌شود، اگرچه ممکن است تمام هارمونیک‌های اولیه را حذف نکند. از آنجایی که واحد نیز با ریزپردازنده کنترل می‌شود، در صورت بروز این اتفاق می‌توان به طور خودکار آلارم ایجاد کرد. برخی از واحدهای فعال تنظیم گسترده‌ای را روی چهار یا پنج فرکانس هارمونیک ارائه می‌دهند در حالی که برخی دیگر اجازه می‌دهند فرکانس‌های فردی را هدف قرار دهند.

     فیلترهای فعال برای جبران جریان‌های هارمونیک نامطلوب به دستگاه‌های الکترونیکی تهویه کننده توان فعال متکی هستند. به طور خاص، فیلترهای فعال امواج جریان سینوسی تحریف شده را تصحیح می‌کنند تا به طور موثر هارمونیک‌ها را حذف کنند. فیلترهای فعال این مزیت را دارند که به تغییرات دینامیکی در سیستم‌های توزیع الکتریکی پاسخ دهند. بنابراین، فیلترهای فعال را می‌توان برای سیستم‌های پیچیده‌تر و بحرانی‌تر در نظر گرفت، زیرا آن‌ها توانایی بهتری برای عمل در پاسخ به اختلالات شدید دارند. با این حال، نصب آن‌ها گرانتر از فیلترهای غیرفعال است.

   • از تکنولوژی پیشرفته‌تری استفاده می‌کنند.
   • قادر به حذف طیف وسیعی از هارمونیک‌ها هستند.
   • انعطاف‌پذیری بیشتری دارند اما هزینه بالاتری دارند.
3. فیلترهای هیبریدی:
   • ترکیبی از فیلترهای پسیو و اکتیو هستند.
   • برای سیستم‌های پیچیده و بزرگ مناسب هستند.

---

فیلترهای هارمونیک، APLCها و UPQCها

یکی از راه‌های اطمینان از اینکه جریان‌های هارمونیک اجزای غیرخطی به طور نامناسب با بخش باقی‌مانده از سیستم قدرت برهم‌کنش نمی‌کنند، قرار دادن فیلترها در نزدیکی یا نزدیک بارهای غیرخطی است. عملکرد اصلی فیلتر یا دور زدن جریان‌های هارمونیک، جلوگیری از ورود آن‌ها به سیستم قدرت یا جبران آن‌ها با تامین محلی جریان هارمونیک است.

به دلیل امپدانس کمتر فیلتر در مقایسه با امپدانس سیستم، جریان‌های هارمونیک بین بار و فیلتر به گردش در می‌آیند و کل سیستم را تحت تاثیر قرار نمی‌دهند. به این رزونانس سری می‌گویند. اگر قرار است فرکانس‌های دیگر کنترل شوند (مثلاً فرکانس کوره‌های قوس الکتریکی)، فیلترهای تنظیم شده اضافی مورد نیاز است.

فیلترهای هارمونیک به طور کلی به ساختارهای غیرفعال، فعال و ترکیبی طبقه‌بندی می‌شوند. این فیلترها فقط می‌توانند جریان هارمونیک و/یا ولتاژهای هارمونیک را در شین نصب شده جبران کنند و کیفیت برق باس‌های دیگر را در نظر نمی‌گیرند. نسل‌های جدید فیلترهای فعال، تهویه‌کننده‌های خط برق فعال هستند که می‌توانند مشکلات کیفیت برق کل سیستم را به حداقل برسانند.

علاوه بر بهبود کیفیت توان، فیلترهای هارمونیک را می‌توان برای ارائه اصلاح ضریب توان پیکربندی کرد. برای چنین مواردی، فیلتر برای حمل جریان‌های هارمونیک تشدید و همچنین جریان اصلی طراحی شده است.

فیلترهای فعال برای جبران جریان‌های هارمونیک نامطلوب به تهویه توان فعال متکی هستند. آن‌ها در واقع بخشی از موج سینوسی را که در جریان بار غیرخطی وجود ندارد، با تشخیص جریان تحریف شده و استفاده از دستگاه‌های سوئیچینگ الکترونیکی قدرت برای تزریق جریان‌های هارمونیک با بزرگی‌ها، فرکانس‌ها و تغییر فاز به سیستم قدرت جایگزین می‌کنند. مزیت اصلی آن‌ها نسبت به فیلترهای غیرفعال، پاسخ خوب آن‌ها به بارهای متغیر و تغییرات هارمونیک است.

فیلترهای فعال را می‌توان در شرایط بسیار دشواری که فیلترهای غیرفعال به دلیل تشدید موازی درون سیستم نمی‌توانند با موفقیت کار کنند، استفاده می‌شوند. آن‌ها همچنین می‌توانند از بیش از یک هارمونیک در یک زمان مراقبت کنند و سایر مشکلات کیفیت توان مانند سوسو زدن را بهبود یا کاهش دهند. آن‌ها به ویژه برای بارهای غیرخطی بزرگ و اعوجاجی که از نقاط نسبتا ضعیف سیستم قدرت تغذیه می‌شوند که امپدانس سیستم نسبتاً زیاد است مفید هستند. فیلترهای فعال نسبتاً گران هستند و برای تأسیسات کوچک قابل اجرا نیستند.

بهبود کیفیت توان با استفاده از فیلترها، تهویه‌کننده‌های کیفیت توان یکپارچه (UPQC)، و قرارگیری و اندازه بهینه خازن‌های شنت، به ترتیب در فصل‌های ۹ و ۱۰ مورد بحث قرار گرفته‌اند.

مثال کاربردی ۱.۷: محاسبه دستی هارمونیک‌های تولید شده توسط مبدل‌های دوازده پالسی

شکل E۱.۷. ۱ یک کارخانه صنعتی بزرگ مانند یک پالایشگاه نفت یا کارخانه شیمیایی را نشان می‌دهد که از یک شرکت برق با ولتاژ خط به خط انتقال ۱۱۵  کیلو ولت سرویس می‌شود. تقاضا در سیستم برق ۵۰ MVA است و ۵۰ درصد بار آن یک بار مبدل توان استاتیک دوازده پالسی است.

جدول E۱.۷. ۱ جریان‌های هارمونیک (I _h) را بر اساس راکتانس کموتانس Xc _h = ۰.۱۲ pu و زاویه شلیک α = ۳۰ درجه مبدل‌های شش پالسی و دوازده پالسی داده شده ^بر حسب pu جریان اصلی را فهرست می‌کند. در یک مبدل دوازده پالسی ایده آل، مقدار برخی از هارمونیک‌های جریان (پررنگ در جدول E۱.۷. ۱) صفر است. با این حال، برای مبدل‌های دوازده پالسی واقعی، بزرگی این هارمونیک‌ها معمولاً به عنوان ۱۰٪ از مقادیر شش پالس در نظر گرفته می‌شود [ ۶۴ ]. فرض کنید RSCPCC#1=40 pu, and RSCPCC#2=8.7 pu

جدول E۱.۷. ۱. Harmonic Current (I_h) Generated by Six-Pulse and Twelve-Pulse Converters Based on Xch=0.12pu and α = ۳۰°

ترتیب هارمونیک (h)	I h برای مبدل ۶ پالس (pu)	I h برای مبدل ۱۲ پالس (pu)
۱	۱۰۰۰	۱۰۰۰
۵	۰٫۱۹۲	۰٫۰۱۹۲
۷	۰٫۱۳۲	۰٫۰۱۳۲
۱۱	۰٫۰۷۳	۰٫۰۷۳
۱۳	۰٫۰۵۷	۰٫۰۵۷
۱۷	۰٫۰۳۵	۰٫۰۰۳۵
۱۹	۰٫۰۲۷	۰٫۰۰۲۷
۲۳	۰٫۰۲۰	۰٫۰۲۰
۲۵	۰٫۰۱۶	۰٫۰۱۶
۲۹	۰٫۰۱۴	۰٫۰۰۱۴
۳۱	۰٫۰۱۲	۰٫۰۰۱۲
۳۵	۰٫۰۱۱	۰٫۰۱۱
۳۷	۰٫۰۱۰	۰٫۰۱۰
۴۱	۰٫۰۰۹	۰٫۰۰۰۹
۴۳	۰٫۰۰۸	۰٫۰۰۰۸
۴۷	۰٫۰۰۸	۰٫۰۰۸
۴۹	۰٫۰۰۷	۰٫۰۰۷

---

مزایای استفاده از فیلترهای هارمونیک

• کاهش تلفات انرژی و افزایش بازدهی سیستم.
• جلوگیری از گرمایش بیش از حد و افزایش عمر تجهیزات.
• بهبود کیفیت برق و کاهش اعوجاج.
• کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری.

---

نحوه انتخاب فیلتر هارمونیک مناسب

انتخاب فیلتر هارمونیک مناسب به عوامل زیر بستگی دارد:

• نوع و میزان هارمونیک‌های موجود در سیستم.
• ظرفیت و اندازه سیستم الکتریکی.
• بودجه و هزینه‌های پروژه.
• نیاز به انعطاف‌پذیری و تطبیق پذیری.

---

سوالات متداول (FAQs)

1. فیلترهای هارمونیک چیست؟
   • فیلترهای هارمونیک دستگاه‌هایی هستند که برای کاهش یا حذف فرکانسهای ناخواسته در سیستم‌های الکتریکی استفاده می‌شوند
2. فیلترهای هارمونیک چگونه کار می‌کنند؟
   • فیلترهای هارمونیک با ایجاد مسیری با امپدانس کم برای هارمونیک ها، آن‌ها را از سیستم اصلی حذف می‌کنند.
3. آیا نصب فیلترهای هارمونیک ضروری است؟
   • در سیستم‌هایی با بارهای غیرخطی زیاد، نصب فیلترهای هارمونیک برای جلوگیری از مشکلات جدی ضروری است.
4. هزینه نصب فیلترهای هارمونیک چقدر است؟
   • هزینه نصب بستگی به نوع فیلتر و اندازه سیستم دارد، اما در بلند مدت باعث صرفه جویی قابل توجهی در هزینه‌ها می‌شود.

---

نتیجه گیری

استفاده از فیلترهای هارمونیک نه تنها باعث بهبود کیفیت برق و افزایش عمر تجهیزات می‌شود، بلکه هزینه‌های انرژی و تعمیرات را نیز کاهش می‌دهد. برای انتخاب و نصب فیلترهای هارمونیک مناسب، با کارشناسان مجرب مشورت کنید.

---

اگر به دنبال راه حلی موثر برای مشکلات هارمونیک در سیستم الکتریکی خود هستید، همین امروز با ما تماس بگیرید. کارشناسان ما آماده ارائه مشاوره و خدمات تخصصی در زمینه فیلترهای هارمونیک هستند.