فیلتر هارمونیک چیست؟ معرفی عملکرد و انواع فیلتر هارمونیک

فیلتر هارمونیک چیست؟

در سیستم‌های قدرت، هارمونیک‌ها مؤلفه‌هایی با فرکانس متفاوت و بالاتر از فرکانس اصلی شکل موج ولتاژ یا جریان هستند که به عنوان نویز در خط برق در نظر گرفته می‌شوند. هارمونیکها در سیستم قدرت ناخواسته هستند و در اثر عواملی مانند بارهای غیرخطی شبکه برق به وجود می‌آیند.
اغلب، هارمونیک‌های موجود در سیستم قدرت را می‌توان به دو نوع هارمونیک ولتاژ و هارمونیک جریان دسته‌بندی کرد. حذف هارمونیک‌ها در سیستم‌های قدرت با استفاده از فیلتر هارمونیک بسیار ضروری است، در غیر این صورت، اتصالات موجود برای کنترل بارهای غیرخطی نیاز به طراحی مجدد دارد که عملاً ناممکن است و هزینه‌های بسیار زیادی به همراه خواهد داشت.
یکی از عوامل اصلی هارمونیک‌های جریان درایوهای سرعت متغیر (VSD) است که بار غیرخطی نامیده می‌شوند. به طور مشابه، هارمونیک ولتاژ به طور کلی به دلیل ایجاد اعوجاج ولتاژ در اثر هارمونیک‌های جریان از طریق امپدانس منبع اتفاق می‌افتد. این مطلب تعریف فیلتر هارمونیک و انواع آن را مرور می‌کنیم.

فیلتر هارمونیک (Harmonic Filter) دستگاه و تجهیزی برای کاهش هارمونیک‌ها به محدوده قابل قبول طبق استانداردهای موجود در یک سیستم قدرت است. این فیلتر در نقاط استراتژیک مدار عملیاتی برای حذف یا کاهش اعوجاج هارمونیک و تشدید (رزونانس) استفاده می‌شود. به طور کلی، اعوجاج هارمونیک می‌تواند به دلیل اضافه‌جریان داخل و خارج از لوازم خانگی ایجاد شود.
فیلترهای هارمونیک از هارمونیک‌های زیاد و بدین ترتیب، از آسیب تجهیزات جلوگیری می‌کنند و هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهند. بنابراین، از این تجهیزات در صنایع مختلف مانند گرمایش و تهویه هوا، نفت، گاز، معدن، فاضلاب و… برای جلوگیری از آسیب قطعات یا کاهش هزینه مصرف برق مصرف‌کنندگان عمده استفاده می‌شوند.

فیلتر هارمونیک را می‌توان با مجموعه‌ای از قطعات الکترونیکی مختلف مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها برای جلوگیری از جریان‌های هارمونیک غیرضروری و انتقال آن‌ها به زمین طراحی کرد. این فیلترها عمدتاً برای جلوگیری از هارمونیک‌های فرکانس‌های خاصی طراحی شده‌اند که بزرگ‌تر از فرکانس اصلی هستند.
کار اصلی فیلتر هارمونیک کاهش اعوجاج از طریق انحراف جریان‌های هارمونیک در خطوطِ با امپدانس کمتر است. این فیلترها در فرکانس پایه خازنی هستند، بنابراین برای تولید توان راکتیو لازم از طریق مبدل‌ها و همچنین برای اصلاح ضریب توان نیز استفاده می‌شوند.

انواع فیلتر هارمونیک

به طور کلی، فیلترهای هارمونیک بر اساس ولتاژ اعمال‌شده، توان نامی، تکفاز یا سه‌فاز بودن و سایر پارامترهای مختلفی که به بار بستگی دارد، به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شوند. این فیلترها تجهیزات بسیار مؤثری هستند که از اتلاف توان ناشی از هارمونیک جلوگیری می‌کنند.
در حالت کلی، دو نوع فیلتر هارمونیک اکتیو و پسیو وجود دارد. تفاوت عمده این دو در اجزا و قطعات مورد استفاده در طراحی فیلتر است. فیلتر هارمونیک اکتیو یا فعال از اجزای اکتیو مانند آی‌سی‌ها (IC)، بی‌جی‌تی‌ها (BJT)، آی‌جی‌بی‌تی‌ها (IGBT) و ماسفت‌ها (MOSFET) استفاده می‌کند، در حالی که فیلتر هارمونیک پسیو یا غیرفعال از قطعات پسیو مختلفی مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها ساخته می‌شود.

فیلترهای هارمونیک اکتیو

فیلترهای اکتیو به راحتی می‌توانند هارمونیک‌های خط برق را بدون وابستگی به توان راکتیو فرکانس پایه تغییر دهند. این فیلترها از یک روش بسیار خوب بهره می‌برند که در آن، فیلتر از مؤلفه‌های هارمونیکی که خود تولید کرده استفاده و آن را به خط برق تزریق می‌کند تا هارمونیک‌های غیرضروری را لغو کند.
در مقایسه با فیلترهای اکتیو، فیلترهای هارمونیک پسیو هارمونیک‌ها را به راحتی در خط برق حذف می‌کنند، اما طراحی آن‌ها دشوارتر است. زیرا طراح باید این فیلترها را بر اساس الزامات توان راکتیو برای بار طراحی کند. بنابراین، در آن شرایط طراحی فیلتر پسیو آسان نیست و باعث عملکرد ضعیف برای شرایط بار خاص می‌شود.

فیلترهای اکتیو در توپولوژی‌های مختلف برای حذف هارمونیک‌های خط برق در دسترس هستند. هنگام طراحی فیلتر هارمونیک اکتیو باید موارد زیر را در نظر گرفت:

• این فیلتر از انواع مختلفی از کلیدهای نیمه‌هادی استفاده می‌کند که برای عملکرد به برق نیاز دارند.
• اینورتر منبع ولتاژ با کلیدهای برق مختلف دارند.
• نمونه‌برداری و کنترل با استفاده از خط برق دارند.
• سیستم PWM سیگنال آتش PWM را به عنوان هارمونیک به سیستم قدرت تزریق می‌کند.

فیلترهای هارمونیک پسیو

فیلترهای هارمونیک پسیو به راحتی در دسترس هستند و اغلب در موارد مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فیلترها از اجزای پسیو معمولی مانند خازن‌ها، مقاومت‌ها و غیره برای ساخت مدار بانک ساخته شده‌اند و مدار آن‌ها عمدتاً به گونه‌ای طراحی شده است که در مقایسه با هارمونیک‌های غیرضروری در فرکانس تشدید مشابهی کار کند.

این فیلترها هارمونیک‌های غیرضروری را مسدود و از بار نهایی یا دستگاه محافظت می‌کنند. چهار نوع فیلتر هارمونیک پسیوِ فیلتر بالاگذر، فیلتر سری، فیلتر نوع C و فیلتر میان‌گذر بیش از سایر فیلترها استفاده می‌شود.

فیلتر هارمونیک در بانک خازنی

اصلاح ضریب توان به طراحی برای جبران تقاضای توان راکتیو و تزریق جریان‌های هارمونیک از طریق تجهیزات به سیستم منبع تغذیه متکی است. به طور کلی، سیستم‌های منبع تغذیه در صنایع شامل یک بانک خازنی و مجموعه‌ای از فیلترهای تنظیم‌شده هستند. معمولاً ارتباط بین فیلتر هارمونیک و بانک‌های خازن در سیستم منبع تغذیه در صنعت مورد تجزیه و تحلیل صنایع قرار می‌گیرد.
در واقع، بانک‌های خازن اجزایی برای فیلترهای هارمونیک هستند، بنابراین زمانی که از بانک‌های خازنی برای افزایش ضریب توان استفاده می‌شود، با افزودن سیم‌پیچ‌ها و سلف‌ها می‌توان به یک فیلتر هارمونیک دست یافت که کاربرد مناسبی نیز دارد.
فیلتر هارمونیک با بانک خازنی اغلب بانک خازنی قدرت ولتاژ بالا نامیده می‌شود و عمدتاً شامل خازن‌های سه‌فاز همراه با حفاظت از نوسانات ناگهانی است. این تجهیزات در انواع دارای محفظه یا بدون آن، با اندازه توان کم یا زیاد یا ثابت، تعبیه‌شده هستند یا برای استفاده با موتورهای جداگانه به‌ کار می‌روند. با جبران سیستم توان راکتیو، ضریب توان (PF) را می‌توان افزایش داد و هارمونیک‌ها را برای کاهش هزینه برق کم کرد.

مدار فیلتر هارمونیک

نمودار مدار فیلتر هارمونیک میان‌گذر در زیر نشان داده شده است. این فیلتر یکی از انواع فیلتر هارمونیک پسیو است. این یک فیلتر هارمونیک با دو بخش است که می‌توان آن را با یک مقاومت، دو خازن و دو سلف طراحی کرد و عمدتاً برای اهداف فیلتر هارمونیک با مرتبه بالا به کار برد.
عملکرد فیلتر را می‌توان با ادغام تشدید موازی فیلتر میان‌گذر معمولی و تشدید سری مدار مقاومتی-سلفی به‌دست آورد.

در نمودار مدار بالا، یک مدار فیلتر میان‌گذر پایه آورده شده است. این مدار شامل دو قسمت است. در قسمت اولیه مدار، یک خازن “C2” و یک سلف “L2” به صورت سری به هم متصل شده‌اند، در حالی که در قسمت بعدی، یک سلف، یک مقاومت و یک خازن به صورت موازی به هم متصل هستند. هر دو قسمت نیز در داخل اتصال سری متصل می‌شوند. در شکل بالا، نمودار مشخصه امپدانس بر حسب فرکانس نشان داده شده است.

همچنین می‌توانید مطالعه کنید:

بانک خازنی مرهمی بر درد تأمین برق کشور

اصلاح ضریب توان چیست و انواع روش‌های اصلاح ضریب توان

مزایای فیلتر هارمونیک

از مزایای فیلترهای هارمونیک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• این فیلترها هارمونیک‌ها در یک سیستم قدرت را کاهش می‌دهند.
• جریان منبع تغذیه را افزایش می‌دهند.
• این فیلترها بهترین عملکرد را برای حفظ ایمنی سیستم ارائه می‌دهند.
• این فیلترها بازده انرژی را برای ایمن نگه داشتن و افزایش عمر سیستم قدرت فراهم می‌کنند.
• از طریق هارمونیک‌های کنترل‌شده در منبع تغذیه، این فیلترها هزینه قبض برق را کاهش می‌دهند.
• فیلترهای هارمونیک اکتیو کمک می‌کنند تا بارها بتوانند حداکثر مصرف برق را داشته باشند.
• این فیلترها مزایای زیادی را در یک سیستم واحد ارائه می‌دهند. در مقایسه با فیلترهای اکتیو، فیلترهای ترکیبی گران نیستند و مزیت ترکیبی از فیلترهای اکتیو و پسیو را فراهم می‌کنند.
• هنگام اتصال فیلترهای اکتیو می‌توان هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش داد.
• فیلترهای نوع هارمونیک ترکیبی (هیبریدی) برای بالا بردن ضریب توان و اصلاح هارمونیک استفاده می‌شوند.

معایب فیلترهای هارمونیک

معایب فیلتر هارمونیک پسیو و فیلتر هارمونیک اکتیو شامل موارد زیر است:

• ویژگی‌های فیلتر به شدت از طریق امپدانس منبع تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
• در سمت منبع، تقویت جریان‌ها در فرکانس‌های ثابت به دلیل تشدید موازی بین فیلتر پسیو و منبع قابل مشاهده است.
• جریان هارمونیک شدید جریان‌ها به فیلتر پسیو به دلیل اعوجاج ولتاژ از طریق رزونانس سری ممکن توسط منبع رخ می‌دهد.
• طراحی فیلتر اکتیو برای یک منبع جریان با سرعت پاسخ جریان سریع بسیار دشوار است.
• هزینه اولیه و راه‌اندازی آن‌ها و همچنین، هزینه عملکرد آن‌ها بالاست.
• اندازه فیلتر پسیو به دلیل خازن‌های AC با اندازه بالا، بزرگ است.
• سیستم کنترل بسیار پیچیده است و حفاظت حین عملیات کاهش می‌یابد. هنگامی که عملکرد فیلتر اکتیو به دلیل شرایط خاصی که دارد متوقف می‌شود، فیلتر پسیو آسیب می‌بیند.

کاربردهای فیلتر هارمونیک

از کاربردهای فیلتر هارمونیک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• درایوهای فرکانس متغیر
• درایوهای سروو
• آب و فاضلاب
• گاز و نفت
• تهویه مطبوع
• ماشین‌آلات خودکار
• دستگاه‌های صنعتی
• ماشین‌آلات چاپ و بسته‌بندی
• صنایع معدنی
• اتوماسیون

چند پرسش رایج درباره فیلترهای هارمونیک

در این بخش، به چند پرسش رایج درباره فیلترهای هارمونیک پاسخ می‌دهیم.

در این مطلب، دریافتیم فیلتر هارمونیک چیست و انواع آن را مرور کردیم. هارمونیک‌ها در سیستم‌های قدرت یک عدد صحیح مثبت هستند که در فرکانس پایه ضرب می‌شوند (مثلاً هارمونیک سوم و پنجم و…). هارمونیک جریان یا ولتاژی است که در فرکانس‌های اصلی مختلف رخ می‌دهد و اغلب به آن نویز در خط برق می‌گویند.

مشاهده ویدئو از آپارات: https://aparat.com/v/9ivEk

منبع

https://www.elprocus.com/harmonic-filter/