فیلترهای هارمونیک چگونه کار میکنند؟
فهرست
فیلترهای هارمونیک: یک عامل کلیدی برای یک شبکه برق سالم
برق، خون حیات جامعه مدرن است و همه چیز را از خانههایمان گرفته تا صنایعمان تغذیه میکند. با این حال، با افزایش وابستگی ما به برق، پیچیدگی شبکههای برق ما نیز افزایش یافته است.
افزایش استفاده از دستگاههای الکترونیکی و منابع انرژی تجدیدپذیر منجر به افزایش اعوجاج هارمونیکی (harmonic distortion) شده است که میتواند منجر به مشکلات قابل توجهی مانند مشکلات کیفیت توان، خرابی تجهیزات و کاهش راندمان شود.
اینجاست که فیلترهای هارمونیک (Harmonic filters) وارد عمل میشوند، زیرا آنها راز یک شبکه برق سالم هستند. در این مقاله، بررسی خواهیم کرد که فیلترهای هارمونیک چیستند، چگونه کار میکنند و چرا برای حفظ یک شبکه برق سالم ضروری هستند.
فیلترهای هارمونیک اکتیو | فیلترهای هارمونیک فعال
درک هارمونیکها و فیلترهای هارمونیک
هارمونیکها نوعی اعوجاج (distortion) هستند که وقتی یک سیگنال سینوسی با اضافه شدن مؤلفههای فرکانسی که مضربی از فرکانس اصلی هستند، اعوجاج مییابد، رخ میدهند. به عبارت دیگر، هارمونیکها فرکانسهای اضافی هستند که بر روی شکل موج اصلی (original waveform) ظاهر میشوند. فرکانس اصلی در اکثر سیستمهای قدرت، بسته به منطقه، ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز است.
وجود هارمونیکها در یک سیستم قدرت میتواند طیف وسیعی از مشکلات را ایجاد کند. به عنوان مثال، هارمونیکها میتوانند باعث گرم شدن بیش از حد تجهیزات الکتریکی شوند که منجر به آسیب و کاهش طول عمر آنها میشود. آنها همچنین میتوانند باعث تداخل در سیستمهای ارتباطی و کاهش راندمان تجهیزات الکتریکی شوند. بنابراین، کنترل سطح هارمونیکها در سیستم قدرت ضروری است.
روش معمول این است که THD (اعوجاج هارمونیکی کل) را زیر حد مشخصی نگه دارند. حد THD ولتاژ ۵٪ است. این بدان معناست که مجموع تمام هارمونیکهای شکل موج ولتاژ باید کمتر از ۵٪ فرکانس اصلی باشد. اگر THD ولتاژ از این حد تجاوز کند، میتواند برای تجهیزاتی که به هارمونیکها حساس هستند، مانند ترانسفورماتورها و موتورها، مشکلاتی ایجاد کند.
حد THD جریان ۳٪ است. این بدان معناست که مجموع تمام هارمونیکهای شکل موج جریان باید کمتر از ۳٪ فرکانس اصلی باشد. اگر THD جریان از این حد تجاوز کند، میتواند مشکلاتی برای شبکه برق ایجاد کند، مانند افزایش تلفات و افت ولتاژ.
فیلترهای هارمونیک چیستند؟
فیلترهای هارمونیک دستگاههایی هستند که برای کاهش اثرات هارمونیکها در سیستمهای الکتریکی استفاده میشوند. آنها با فیلتر کردن انتخابی فرکانسهای هارمونیک موجود در سیستم کار میکنند. فیلترهای هارمونیک از ترکیبی از خازنها، سلفها و مقاومتها ساخته شدهاند که برای ایجاد یک مدار تنظیمشده طراحی شدهاند که به طور انتخابی فرکانسهای هارمونیک را فیلتر میکند.
دو نوع اصلی فیلتر هارمونیک وجود دارد: غیرفعال و فعال. فیلترهای هارمونیک غیرفعال از ترکیبی از خازنها و سلفها ساخته شدهاند که برای ایجاد یک مدار تنظیمشده طراحی شدهاند که فرکانسهای هارمونیک خاصی را فیلتر میکند. از سوی دیگر، فیلترهای هارمونیک فعال از الکترونیک برای حذف فعال فرکانسهای هارمونیک موجود در سیستم استفاده میکنند.
فیلترهای هارمونیک چگونه کار میکنند؟
فیلترهای هارمونیک با ایجاد یک مدار تنظیمشده که به صورت انتخابی فرکانسهای هارمونیک موجود در سیستم را فیلتر میکند، کار میکنند. مدار تنظیمشده از ترکیبی از خازنها و سلفها ساخته شده است که برای رزونانس در یک فرکانس خاص طراحی شدهاند. این رزونانس باعث میشود مدار در فرکانس رزونانس امپدانس بالایی داشته باشد و عملاً مانع عبور آن فرکانس از فیلتر شود.
طراحی فیلتر هارمونیک برای اثربخشی آن بسیار مهم است. فیلتر باید طوری طراحی شود که با فرکانسهای هارمونیک خاص موجود در سیستم مطابقت داشته باشد. به عنوان مثال، اگر هارمونیک پنجم مهمترین هارمونیک موجود باشد، فیلتر باید طوری طراحی شود که به طور انتخابی فرکانس هارمونیک پنجم را فیلتر کند.
اهمیت فیلترهای هارمونیک
فیلترهای هارمونیک نقش حیاتی در حفظ سلامت شبکه برق ایفا میکنند. آنها به کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی در سیستم کمک میکنند، که میتواند باعث طیف وسیعی از مشکلات مانند آسیب به تجهیزات و کاهش راندمان شود. فیلترهای هارمونیک با کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی، میتوانند به بهبود کیفیت سیستم برق کمک کنند.
فیلترهای هارمونیک همچنین برای اطمینان از برآورده شدن الزامات نظارتی سیستم قدرت ضروری هستند. در بسیاری از کشورها، محدودیتهایی در سطح اعوجاج هارمونیکی مجاز در سیستم قدرت وجود دارد. فیلترهای هارمونیک میتوانند به اطمینان از برآورده شدن این الزامات توسط سیستم قدرت کمک کنند.
کاربردهای فیلترهای هارمونیک
فیلترهای هارمونیک در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله صنعتی، تجاری و مسکونی استفاده میشوند. در کاربردهای صنعتی، فیلترهای هارمونیک برای کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی در سیستم برق استفاده میشوند که میتواند باعث آسیب به تجهیزات و کاهش راندمان شود. آنها در طیف وسیعی از صنایع، از جمله تولید فولاد، فرآوری مواد شیمیایی و مراکز داده استفاده میشوند.
در کاربردهای تجاری، فیلترهای هارمونیک برای کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی در سیستم قدرت به منظور بهبود کیفیت توان و کاهش خطر آسیب به تجهیزات استفاده میشوند. آنها در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله بیمارستانها، فرودگاهها و مراکز خرید، مورد استفاده قرار میگیرند.
در کاربردهای مسکونی، از فیلترهای هارمونیک برای بهبود کیفیت منبع تغذیه خانهها استفاده میشود. آنها میتوانند به کاهش خطر آسیب به تجهیزات و بهبود راندمان لوازم برقی کمک کنند. فیلترهای هارمونیک همچنین در کاربردهای انرژی تجدیدپذیر، مانند سیستمهای انرژی خورشیدی و بادی، برای کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی تولید شده توسط این سیستمها استفاده میشوند.
چالشها و محدودیتهای فیلترهای هارمونیک
اگرچه فیلترهای هارمونیک برای حفظ سلامت شبکه برق ضروری هستند، اما محدودیتها و چالشهایی نیز دارند. یکی از چالشهای اصلی این است که نصب و نگهداری فیلترهای هارمونیک میتواند گران باشد، به خصوص در کاربردهای صنعتی و تجاری بزرگتر.
چالش دیگر این است که فیلترهای هارمونیک باید با دقت طراحی شده و با فرکانسهای هارمونیک خاص موجود در سیستم مطابقت داشته باشند. اگر فیلتر به درستی طراحی نشود، ممکن است به طور موثر فرکانسهای هارمونیک را فیلتر نکند و منجر به آسیب به تجهیزات و کاهش راندمان شود.
همچنین محدودیتی برای سطح اعوجاج هارمونیکی که میتواند به طور موثر توسط فیلترهای هارمونیکی فیلتر شود، وجود دارد. اگر سطح اعوجاج هارمونیکی خیلی بالا باشد، ممکن است لازم باشد اقدامات اضافی مانند نصب فیلترهای اضافی یا ارتقاء زیرساختهای الکتریکی انجام شود.
حذف فیلترهای هارمونیک در تدبیر انرژی سپهر
فیلترهای هارمونیک راز یک شبکه برق سالم هستند. آنها به کاهش سطح اعوجاج هارمونیکی در سیستم برق کمک میکنند، که میتواند باعث طیف وسیعی از مشکلات مانند آسیب به تجهیزات و کاهش راندمان شود. استانداردهای کاربردی فیلترهای هارمونیک را اینجا مطالعه کنید. فیلترهای هارمونیک برای اطمینان از برآورده شدن الزامات نظارتی سیستم برق و بهبود کیفیت منبع تغذیه ضروری هستند.
اگرچه فیلترهای هارمونیک چالشها و محدودیتهایی دارند، اما جزء ضروری سیستمهای قدرت مدرن هستند. با افزایش وابستگی ما به برق، اهمیت فیلترهای هارمونیک نیز افزایش خواهد یافت. فیلترهای هارمونیک یکی از فناوریهای بسیاری هستند که به اطمینان از قابل اعتماد، کارآمد و پایدار بودن شبکههای برق ما کمک میکنند.
اولین قدم، تجزیه و تحلیل محتوای هارمونیکها در بخش شبکه شما است. کنتورهای الکترونیکی انرژی و دستگاههای تست قابل حمل ما در محل، تجزیه و تحلیل هارمونیکهای فردی را ارائه میدهند و میتوانند به شما در دستیابی به دادههای مربوطه برای تعیین اینکه آیا فیلترهای هارمونیک در شبکه شما ضروری هستند یا خیر، کمک کنند.
همین امروز با ما تماس بگیرید تا در مورد جمعآوری دادههای هارمونیک ما بیشتر بدانید و اولین قدم را برای بهینهسازی عملکرد و بهرهوری شبکه برق خود بردارید.
یک سوال واضح وقتی در مورد هارمونیکها صحبت میکنیم این است: یک فیلتر هارمونیک چگونه کار میکند؟
برای بحث در مورد فیلترهای هارمونیک، باید به یک چیز فکر کنیم، اینکه چند نوع فیلتر هارمونیک مختلف وجود دارد؟ ما به این موضوع به روشی ساده خواهیم پرداخت. اساساً در مورد فیلترهای غیرفعال (passive filters)، فیلترهای فعال (active filters)، فیلترهای باند پهن (broadband filters) و فیلترهای اختصاصی درایو (drive-dedicated filters) صحبت خواهیم کرد.
اکنون، در بیشتر موارد، قصد داریم از دیدگاه یک فیلتر هارمونیک غیرفعال به آن بپردازیم. اجازه دهید اجزای اصلی این نوع فیلترها را شرح دهیم و سپس بر روی فیلترهای هارمونیک غیرفعال تمرکز خواهیم کرد. سیستم برق معمولی که برای بسیاری از این سیستمها استفاده کردهایم مشابه آن است – ما در اینجا یک منبع هارمونیک داریم که میتواند یک درایو فرکانس متغیر یا هر چیز دیگری باشد که ما یک فیلتر اینجا قرار میدهیم و این فیلتر میتواند یک فیلتر غیرفعال باشد.
اگر یک فیلتر فعال باشد؛ در این صورت، اتفاقی که میافتد این است که جریانهای هارمونیک از اینجا خارج میشوند و به آن مسیر جذب میشوند. معنای واقعی این است که امپدانس آن کمتر از مسیر بالادستی است که به ترانسفورماتور میرود. یک فیلتر پهنباند، به طور کلی شبیه به این موارد است، اما به جای تنظیم روی یک فرکانس، به عنوان مثال، این فیلتر دارای هارمونیک پنجم، هارمونیک هفتم، هارمونیک یازدهم و هارمونیک سیزدهم است. اگر یک درایو باشد، ممکن است یک فیلتر غیرفعال را روی فرکانس پنجم تنظیم کنیم. یک فیلتر فعال میتواند تمام هارمونیکها را حذف کند و یک فیلتر پهنباند نیز طیف وسیعی را پوشش میدهد، اما ممکن است به عنوان مثال، پنجم و هفتم، شاید کمی از یازدهم را پوشش دهد. یک فیلتر اختصاصی درایو، یک فیلتر مسدودکننده است که اساساً یک فیلتر را در مقابل درایو قرار میدهد. و جریان هارمونیکها به آن فیلتر وارد میشود و مستقیماً به درایو برمیگردد و از سیستم برق خارج نمیشود.
خب، ما چند ویدیو از این چیزها داریم و میتوانید نگاهی به آنها بیندازید، اما بیایید نگاهی به ظاهر واقعی یک فیلتر غیرفعال بیندازیم. این موردی است که ابتدا میخواهیم به آن بپردازیم. یک فیلتر غیرفعال در واقع از دو جزء تشکیل شده است. یک راکتور خط یا یک راکتور، و معمولاً یک راکتور هسته آهنی. این مهم است. من چند فیلتر هارمونیک دیدهام که با راکتورهای هسته هوا ساخته شدهاند. اگر یک فیلتر مقیاس صنعتی باشد اشکالی ندارد، اما اگر داخل یک ساختمان و در نزدیکی سایر اشیاء فلزی یا فولادی باشد، میتواند آن را از تنظیم خارج کند. بنابراین معمولاً یک راکتور هسته آهنی و یک خازن است. وقتی میخواهید آن نوع فیلتر را بسازید، معمولاً اول خازن را انتخاب میکنید. چرا اول خازن را انتخاب میکنید؟ چون آنها اقلام آماده هستند. آنها صد و بیست و دویست و سیصد و سیصد و پنجاه هزار روپیه هستند.
شما ابتدا آن را انتخاب میکنید و سپس راکتور را طوری طراحی میکنید که راکتور و خازن در یک فرکانس خاص، امپدانس مشابهی داشته باشند. به عنوان مثال، نزدیک به هارمونیک پنجم، فرکانسی که باعث میشود قسمت غیرفعال فیلتر یا قسمت القایی فیلتر و قسمت واکنشی و خازنی فیلتر برابر شوند. و در آن نقطه، ما با یک امپدانس بسیار کم مواجه میشویم. بنابراین، اگر به صورت گرافیکی به آن نگاه کنیم، بنابراین ما این سلف و این خازن را داریم و فرض کنید دوباره محاسبات را انجام میدهیم، J 10 OS را بدست میآوریم. این دو PI ضربدر فرکانس، القایی و XL است. و اگر XC، که یک بر دو برابر PI است، F ضربدر ظرفیت است.
ما اینجا یک J در پایین و اینجا یک J در بالا داریم. بنابراین اتفاقی که میافتد این است که مثلاً این یکی میشود، منفی J به توان ۱۰ برابر OS. و بنابراین ترکیب سری آن امپدانسها، چه مقاومت باشند چه هر چیز دیگری. اگر J به توان ۱۰ برابر و منفی J به توان ۱۰ برابر داشته باشیم، در نهایت اساساً برای آن مسیر سری، OS صفر خواهیم داشت. بنابراین، اگر آن را روی سیستم خود قرار دهیم و منبع تغذیه خود را داشته باشیم، یک ترانسفورماتور داریم و این مسیر را داریم که سلف در خازن است. در نهایت جریانهای هارمونیک از آنجا خارج میشوند و میخواهند به آن فیلتر بروند. بنابراین نحوه کار فیلتر هارمونیک این است که شما یک امپدانس بسیار کم دارید. اساساً شما یک نقطه رزونانس موازی دارید زیرا یک خازن و یک فرکانس پایین است. و سپس دوباره یک سلف در خازن با هم وجود دارد، جایی که آن سلف و خازنها برابر و مخالف هستند.
این نقطه ضعف شماست. بنابراین اگر اینجا هارمونیک پنجم دارید، معمولاً آن را طوری تنظیم میکنیم که مثلاً ۴.۷ هارمونیک باشد. و در ویدیوی دیگری به Y میپردازیم، اما آن را درست زیر فرکانس مورد نظر تنظیم میکنیم. و سپس آن جریان هارمونیکی که از درایو خارج میشود میخواهد وارد آن فیلتر شود. اگر به طیف فرکانسی نگاه کنید که در آن پنجم، هفتم، یازدهم، سیزدهم اساسی داریم، همیشه میخواهیم بزرگترین هارمونیک را در پایینترین فرکانسی که باید فیلتر را تنظیم کنیم، انتخاب کنیم. اگر اینجا کمی هارمونیک سوم داشتیم، در واقع باید آن فیلتر را روی پایینترین فرکانس اینجا تنظیم کنیم، که به جای پنجم، سوم خواهد بود. و دلیل دیگر، اینکه ما این کار را انجام میدهیم این است که هارمونیک سوم، که اینجا است، اگر هارمونیک سوم را وارد سیستم خود کنیم، میتوانیم آن را با سرعت بسیار بالایی تقویت کنیم و مشکلات قابل توجهی با رزین موازی ایجاد کنیم. بنابراین دوباره، فیلتر هارمونیک چیست؟ فیلتر هارمونیک یک دستگاه تنظیم شده است. ما میگوییم که در واقع جریان هارمونیک را جذب میکند. این دستگاه تنظیم شده است زیرا ما آنها را در یک فرکانس خاص جذب میکنیم. امپدانس کم است. ما آنها را کمی تغییر میدهیم تا هم اصلاح ضریب توان و هم اصلاح هارمونیک قابل کنترلی را ارائه دهند. و تعداد مناسبی از هارمونیکها را جذب میکنیم. بنابراین آنها را بیش از حد بارگذاری نمیکنیم و در آینده با بارهای اضافی و بیش از حد به آنها آسیب نمیرسانیم.
- مطالعه بیشتر:
فیلترهای هارمونیک - کیفیت توان (کیفیت برق)
- کیفیت توان
- اندازه گیری کیفیت توان (اندازه گیری کیفیت برق)
- تجزیه و تحلیل کیفیت توان