- Co to są harmoniczne w układzie elektrycznym?
- Dlaczego konieczne jest wyeliminowanie harmonicznych w systemie zasilania?
- Typ filtrów harmonicznych
- Pasywne filtry harmoniczne
- Aktywne filtry harmoniczne
- Jak wybrać filtry harmoniczne
Co to są harmoniczne w układzie elektrycznym?
W systemach elektroenergetycznych harmoniczne definiuje się jako dodatnie całkowite wielokrotności częstotliwości podstawowej. Harmoniczne to napięcie lub prąd występujący przy wielokrotnościach częstotliwości podstawowej. Często jest uważany za szum w linii energetycznej.
Harmoniczne w systemie elektroenergetycznym można podzielić na dwa typy: harmoniczne prądu i harmoniczne napięcia.
W bieżących harmonicznych wywołanych przez ładunek nieliniowej jak VSD (napędów o zmiennej prędkości). Nieliniowe obciążenia pobierają prąd z linii energetycznej, który nie ma idealnego przebiegu sinusoidalnego. Niesinusoidalny przebieg prądu może być złożonym szeregiem prostych sinusoid, które mogą oscylować przy liczbie całkowitej będącej wielokrotnością częstotliwości podstawowej linii elektroenergetycznej.
W większości przypadków harmoniczne napięcia są spowodowane przez harmoniczne prądu. Harmoniczna napięcia występuje z powodu zniekształconego napięcia wytwarzanego przez wpływ harmonicznych prądu z impedancją źródła.
Powyższy obraz przedstawia przebieg prądu zniekształconego na obciążeniu nieliniowym. Tutaj zniekształcony przebieg prądu nie podąża za falą sinusoidalną. To pokazuje aktualne harmoniczne w systemie elektroenergetycznym.
Dlaczego konieczne jest wyeliminowanie harmonicznych w systemie zasilania?
Harmoniczne prądu i napięcia są wprost proporcjonalne do zaszumionego przenoszenia mocy do obciążenia. Za harmoniczne w systemie elektroenergetycznym odpowiedzialne są różne urządzenia domowe i biurowe. Harmoniczne systemu elektroenergetycznego często zwiększają prąd obciążenia. Różne instrumenty, takie jak lampy fluorescencyjne w fabrykach lub w domu lub biurze, są narażone na działanie harmonicznych i cierpią z powodu różnych awarii. Na silniki duży wpływ mają harmoniczne systemu zasilania.
Czasami harmoniczne w systemach zasilania mogą być bardzo niebezpieczne i zwiększać moc dostarczaną do instrumentów, co prowadzi do wzrostu temperatury w obciążeniu i może skrócić żywotność instrumentu.
Aby przezwyciężyć te harmoniczne systemu elektroenergetycznego, należy zrekonstruować połączenie zasilania, aby napędzać nieliniowe obciążenia i wprowadzić filtry harmonicznych w systemie elektroenergetycznym.
Typ filtrów harmonicznych
Filtry harmonicznych bardzo skutecznie chronią kosztowne urządzenia elektryczne przed zniekształconymi wyjściami mocy z powodu harmonicznych. Na rynku elektrycznym i elektronicznym dostępne są różne typy filtrów harmonicznych w zależności od mocy znamionowej, przyłożonego napięcia, jednofazowego lub trójfazowego oraz innych parametrów zależnych od obciążenia.
Jednakże, istnieją dwa główne rodzaje filtrów harmonicznych dostępne które są pasywne filtry harmonicznych oraz aktywny filtr harmonicznych.
Główną różnicą między tymi dwoma typami filtrów harmonicznych są komponenty użyte do konstrukcji filtra. Pasywne filtry harmonicznych wykorzystują proste elementy pasywne, głównie rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory. Podczas gdy aktywne filtry harmonicznych wykorzystują aktywne komponenty, takie jak różne typy BJT, IGBT, MOSFET i układy scalone.
Ponieważ filtry harmonicznych są wyposażeniem zabezpieczającym linie elektryczne, muszą one spełniać międzynarodowe standardy bezpieczeństwa, takie jak IEEE, EN, AS, BS oraz znak UL dla laboratoriów gwaranta.
Ponadto filtry harmonicznych mogą być projektowane w różnej kolejności. Podobnie jak filtry harmonicznych trzeciego rzędu mogą odfiltrować częstotliwość, która jest trzecią wielokrotnością częstotliwości podstawowej.
Pasywne filtry harmoniczne
Najbardziej powszechne i łatwo dostępne są pasywne filtry harmonicznych. Jest to niedrogi filtr do tłumienia zakłóceń harmonicznych w linii energetycznej.
Jak omówiono wcześniej, pasywne filtry harmonicznych wykorzystują standardowe elementy pasywne, takie jak rezystory, cewki indukcyjne i kondensatory. Te elementy pasywne są używane do tworzenia obwodu zbiornika. Obwód zbiornika jest specjalnie zaprojektowany, aby mógł pracować z tą samą częstotliwością rezonansową w odniesieniu do niepożądanych harmonicznych. Pasywne filtry harmonicznych blokują przechodzenie niepożądanych harmonicznych. Pasywny filtr harmonicznych przekształca harmoniczne prądu w ciepło i chroni urządzenie końcowe lub obciążenie. Filtr można dostroić do określonej częstotliwości, którą należy wyeliminować jako harmoniczne.
Stosowane są głównie cztery typy pasywnych filtrów harmonicznych:
1. Filtr górnoprzepustowy
2. Filtr pasmowy
3. Filtr typu C i
4. Filtr szeregowy.
Filtr górnoprzepustowy
Wysokoprzepustowe pasywne filtry harmoniczne są używane do eliminowania harmonicznych wyższego rzędu i elastycznej kontroli szerokiego zakresu częstotliwości. Podstawowa konstrukcja górnoprzepustowego filtra harmonicznych wykorzystuje trzy elementy pasywne, rezystor, kondensator i cewkę.
Na powyższym obrazku możemy zobaczyć podstawową konstrukcję pasywnego górnoprzepustowego filtra harmonicznych. Konstrukcja pokazuje, że rezystor i cewka są połączone równolegle z kondensatorem szeregowo. Filtr zapewnia płaską charakterystykę impedancji w zakresie wysokich częstotliwości. Wysoka częstotliwość zmniejsza straty mocy.
Ten rodzaj filtrów stosowany jest głównie do filtrowania 5 th / 6 lub wyższy prąd zamówienia. Często różne filtry są łączone z filtrami harmonicznych górnoprzepustowych, aby wyeliminować straty mocy, gdy są używane w aplikacjach o niskim rzędzie lub niskiej częstotliwości.
Krzywa impedancji z częstotliwością może być pokazana na poniższym obrazku.
Filtr pasmowy
Filtr harmonicznych pasmowoprzepustowych jest filtrem podwójnie dostrojonym. Filtr harmonicznych pasmowego składa się z dwóch kondensatorów, dwóch cewek indukcyjnych, a pojedynczy rezystor. Jest również używany do celów filtracji harmonicznych wysokiego rzędu. Filtr ten działa z połączeniem równoległego rezonansu standardowego filtra pasmowoprzepustowego wraz z połączonym rezonansem szeregowym cewki indukcyjnej i kondensatora.
Na powyższym obrazku pokazano podstawowy schemat filtru pasmowoprzepustowego. Obwód filtra jest na dwie części, w pierwszej części kondensatora C2 i cewka L2 jest połączone szeregowo, podczas gdy w drugiej strony rezystora, cewki indukcyjnej i kondensator są połączone równolegle. Pierwsza część i druga część są również połączone szeregowo.
Charakterystykę impedancji wraz z częstotliwością można przedstawić na poniższym wykresie.
Filtr typu C.
Filtr typu C jest używany do celów niskiego rzędu, takich jak filtracja harmonicznych drugiego lub trzeciego rzędu. Filtry typu C mają mniejsze straty niż równoważne filtry pasmowe lub filtry szeregowe.
Filtry typu C składają się z 4 elementów pasywnych - dwóch kondensatorów, cewki indukcyjnej i jednego rezystora.
Na powyższym obrazku pokazano podstawową budowę filtra typu c. Kondensator jest połączony szeregowo z cewką indukcyjną, która jest ponownie połączona równolegle z rezystorem. Trójskładnikowe połączenie równoległe jest ponownie połączone szeregowo z drugim kondensatorem.
Rezystor tłumi podstawowy prąd wytwarzany przez oscylującą cewkę indukcyjną i kondensator.
Krzywa impedancji jest pokazana na poniższym obrazku-
Filtr szeregowy
Filtr szeregowy nazywany jest pasywnym filtrem tłumiącym harmoniczne z pojedynczym dostrojeniem. Ten filtr ma najprostsze właściwości konstrukcyjne. Tylko trzy elementy bierne - pojedynczy kondensator, cewka i rezystor są używane szeregowo. Ten filtr eliminuje pojedynczą częstotliwość.
Budowa tego filtra może być pokazana na poniższym obrazku, gdzie 3 elementy pasywne są połączone szeregowo, tworząc pojedynczy dostrojony szeregowy filtr harmonicznych.
Charakterystyka impedancji jest pokazana na poniższym obrazku -
Aktywne filtry harmoniczne
Jak wspomniano wcześniej, pasywne filtry harmonicznych są dobre do eliminowania harmonicznych związanych z linią elektroenergetyczną. Jednak konstrukcja pasywnego filtra harmonicznych jest naprawdę złożona i projektant musi zaprojektować pasywne filtry harmonicznych zgodnie z wymaganiami dotyczącymi mocy biernej obciążenia. W takim przypadku konstrukcja filtra pasywnego jest bardzo trudna i prowadzi do słabego działania współczynnika mocy dla określonych warunków obciążenia.
W tym przypadku filtry aktywne lepiej radzą sobie z harmonicznymi linii elektroenergetycznej bez zależności mocy biernej częstotliwości podstawowej.
Aktywne filtry harmonicznych wykorzystują doskonałą metodę, w której filtr wykorzystuje składowe harmoniczne wytworzone przez siebie i wstrzykuje je do linii energetycznej, co eliminuje niepożądane harmoniczne.
Dostępne są różne typy filtrów aktywnych, które wykorzystują różne topologie do eliminacji harmonicznych w linii energetycznej.
Najpopularniejszy projekt filtrów aktywnych harmonicznych wykorzystuje następujące podstawowe rzeczy, takie jak
1. Falownik źródła napięcia wykorzystujący różne przełączniki mocy
2. Pobieranie próbek i sterowanie wzorcem z linii energetycznej
3. system PWM, który wprowadza impuls wystrzeliwujący PWM do systemu w postaci harmonicznych.
Filtr Active Harmonic wykorzystuje inny rodzaj przełączników półprzewodnikowych, które wymagają zasilania do działania.
Jak wybrać filtry harmoniczne
Określenie idealnego filtra harmonicznych jest dość trudne. Należy określić częstotliwość harmonicznych, przy której filtry muszą być dostrojone. W kilku przypadkach działanie filtra nie spełnia swojego celu tylko z powodu złego dostrojenia na pewnej częstotliwości podstawowej, w której nie występują żadne harmoniczne.
Pierwszej kolejności należy określić kolejność harmonicznych w zależności od harmonicznej potrzeba filtr być wybrany. Aby wyeliminować zniekształcenia harmoniczne o pojedynczej częstotliwości, wydajne są szeregowe filtry harmonicznych, ale w nielicznych przypadkach konieczne jest zastosowanie filtrów podwójnie dostrojonych.
Należy również skompensować straty na filtrach, które w dużym stopniu zależą od wyboru filtra. Czasami dla wysokiego poziomu obciążeń nieliniowych wymagane są aktywne i pasywne oba typy filtrów harmonicznych.