- Що таке гармоніка в електричній системі?
- Чому необхідно усунути гармоніку в енергосистемі?
- Тип фільтрів гармонік
- Пасивні гармонічні фільтри
- Активні гармонічні фільтри
- Як вибрати гармонійні фільтри
Що таке гармоніка в електричній системі?
В енергетичних системах гармоніки визначаються як цілі натуральні кратні основній частоті. Гармоніка - це напруга або струм, що кратні основній частоті. Це часто розглядається як шум в електромережі.
Гармоніки в енергосистемі можна класифікувати на два типи: гармоніки струму та гармоніки напруги.
У гармоніки струму, викликані нелінійного навантаження, такі як ПРС (приводи з змінною швидкістю). Нелінійні навантаження набирають струм від лінії електропередачі, який не є ідеальним синусоїдальним сигналом. Форма сигналу несинусоїдального струму може бути складною серією простих синусоїдальних, які можуть коливатися при цілому чисельному, кратному основній частоті лінії електропередач.
У більшості випадків гармоніки напруги зумовлені гармоніками струму. Гармоніка напруги виникає через спотворену напругу, що виникає внаслідок впливу гармонік струму на імпеданс джерела.
На наведеному вище зображенні показано форму сигналу струму, що зазнав напруги, на нелінійному навантаженні. Тут спотворена форма сигналу струму не йде за синусоїдальною хвилею. Це показує діючі гармоніки в енергосистемі.
Чому необхідно усунути гармоніку в енергосистемі?
Гармоніки струму та напруги прямо пропорційні шумній передачі потужності на навантаження. Різне побутове та офісне обладнання відповідає за гармоніки в енергосистемі. Гармоніки енергосистеми часто збільшують струм навантаження. Різні прилади, такі як люмінесцентні лампи на фабриках або в будинку чи в офісі, зазнають впливу гармонік і страждають від різних несправностей. На двигуни надзвичайно впливають гармоніки енергосистеми.
Іноді гармоніки в енергосистемах можуть бути дуже небезпечними та збільшувати потужність, що подається на прилади, що призводить до підвищення температури навантаження та може скоротити термін служби приладу.
Щоб подолати цю гармоніку енергосистеми, потрібно реконструювати підключення живлення для керування нелінійними навантаженнями та ввести в систему енергосистеми фільтри гармонік.
Тип фільтрів гармонік
Гармонічні фільтри дуже ефективні для захисту дорогого електрообладнання від спотворених вихідних потужностей через гармонік. На ринку електрики та електроніки доступні різні типи гармонічних фільтрів залежно від номінальної потужності, прикладеної напруги, однофазної або трифазної та інших параметрів, що залежать від навантаження.
Однак є два основних типи гармонічних фільтрів, які є пасивними гармонічними фільтрами та активними гармонічними фільтрами.
Основною відмінністю цих двох типів гармонійних фільтрів є компоненти, що використовуються для конструкції фільтрів. У пасивних гармонічних фільтрах використовуються прості пасивні компоненти, переважно резистори, котушки індуктивності та конденсатори. Тоді як активні гармонічні фільтри використовують активні компоненти, такі як різні типи BJT, IGBT, MOSFET та інтегральні схеми.
Оскільки фільтри гармонік є обладнанням електробезпеки, вони повинні підтверджувати міжнародні стандарти безпеки, такі як IEEE, EN, AS, BS та марка UL лабораторій андеррайтера.
Також фільтри гармонік можуть бути розроблені в різних порядках. Як і гармонічні фільтри третього порядку, можна відфільтрувати частоту, яка є третім кратним основної частоти.
Пасивні гармонічні фільтри
Пасивні гармонічні фільтри є найпоширенішими та легкодоступними гармонічними фільтрами. Це доступний фільтр для придушення гармонічних порушень в електромережі.
Як обговорювалося раніше, пасивні гармонічні фільтри використовують стандартні пасивні компоненти, такі як резистори, індуктори та конденсатори. Ці пасивні компоненти використовуються для формування резервуарного контуру. Схема резервуара сконструйована спеціальним чином, щоб вона могла працювати з однаковою резонансною частотою щодо небажаних гармонік. Пасивні гармонічні фільтри блокують проходження небажаних гармонік. Пасивний фільтр гармонік перетворює струм гармоніки в тепло і захищає кінцевий пристрій або навантаження. Фільтр можна налаштувати на певну частоту, яку потрібно виключити як гармоніку.
В основному застосовуються чотири типи пасивних гармонічних фільтрів:
1. Фільтр високих частот
2. Смуговий фільтр
3. С тип фільтра і
4. Серійний фільтр.
Фільтр високих частот
Високопасивні пасивні гармонічні фільтри використовуються для усунення гармонік вищого порядку та для гнучкого управління широким діапазоном частот. Основна конструкція високочастотного гармонічного фільтра використовує три пасивні компоненти, резистор, конденсатор та індуктор.
На зображенні вище ми бачимо основну конструкцію пасивного високочастотного гармонічного фільтра. Конструкція показує резистор, а індуктор паралельно з'єднує конденсатор послідовно. Фільтр забезпечує плоскі характеристики імпедансу у високочастотному діапазоні. Висока частота зменшує втрати потужності.
Цей тип фільтрів в основному використовується для фільтрації струму 5- го / 6-го або вищого порядку. Часто різні фільтри поєднуються з високочастотними гармонічними фільтрами для усунення втрат потужності при використанні в низькочастотних або низькочастотних додатках.
Крива імпедансу з частотою може бути показана на зображенні нижче.
Смуговий фільтр
Смуговий фільтр гармонік - це подвійно налаштований фільтр. Гармонійний смуговий фільтр складається з двох конденсаторів, два індукторів, і один резистора. Він також використовується для цілей гармонійної фільтрації. Цей фільтр працює з комбінуючим паралельним резонансом стандартного смугового фільтра разом із послідовним резонансом котушки індуктивності та конденсатора.
На наведеному вище зображенні показано основну схему смугового фільтра. Схема фільтра складається з двох частин, у першій частині конденсатор С2 та індуктор L2 підключені послідовно, тоді як у другій частині паралельно підключені резистор, індуктор та конденсатор. Перша частина і друга частина також з'єднані послідовно.
Характеристики імпедансу з частотою можуть бути показані на графіку нижче.
Фільтр типу С
Фільтр типу C використовується для низького порядку, наприклад, для цілей гармонічної фільтрації другого або третього порядку. Фільтри типу С мають менші втрати, ніж еквівалентний смуговий або послідовний фільтр.
Фільтри типу С складаються з 4 пасивних компонентів - двох конденсаторів, індуктивності та одного резистора.
На зображенні вище показано основну конструкцію фільтра типу c. Конденсатор з'єднаний послідовно з індуктивністю, яка знову з'єднана паралельно резистору. Трикомпонентне паралельне з'єднання знову послідовно з'єднане з другим конденсатором.
Резистор пригнічує основний струм, створюваний коливаними індуктивністю та конденсатором.
Крива імпедансу показана на зображенні нижче -
Серійний фільтр
Послідовний фільтр називається однонастроєним пасивним фільтром придушення гармонік. Цей фільтр має найпростіші будівельні властивості. Послідовно використовуються лише три пасивні компоненти - один конденсатор, індуктивність і резистор. Цей фільтр усуває одну частоту.
Конструкція цього фільтра може бути показана на зображенні нижче, де 3 пасивні компоненти з'єднані послідовно, щоб сформувати єдиний налаштований серійний гармонійний фільтр.
Характеристика імпедансу показана на зображенні нижче -
Активні гармонічні фільтри
Як обговорювалося раніше, пасивні гармонічні фільтри добре усувають гармоніки, пов'язані з лінією електропередачі. Однак конструкція пасивного гармонічного фільтра насправді є складною, і конструктор повинен проектувати пасивні гармонічні фільтри відповідно до вимог до реактивної потужності навантаження. У такому випадку конструкція пасивного фільтра є дуже складною, і це призводить до поганої роботи коефіцієнта потужності для певних умов навантаження.
У цьому питанні активні фільтри краще обробляти гармоніки ЛЕП без залежності реактивної потужності основної частоти.
Активні гармонічні фільтри використовують чудовий метод, коли фільтр використовує гармонічні компоненти, виготовлені власноруч, і вводить їх в лінію електропередач, що скасовує небажані гармоніки.
Доступні різні типи активних фільтрів, які використовують різні топології для усунення гармонік в електромережі.
Найбільш поширена конструкція активних гармонічних фільтрів використовує такі основні речі, як
1. Інвертор джерела напруги за допомогою різних вимикачів живлення
2.Відбір проб та контрольне посилання з лінії електропередач
3. ШІМ-система, яка вводить в систему імпульс ШІМ-стрільби як гармоніку.
Фільтр Active Harmonic використовує напівпровідникові вимикачі іншого типу, для роботи яких потрібна потужність.
Як вибрати гармонійні фільтри
Визначити ідеальний гармонічний фільтр досить складно. Потрібно визначити гармонійну частоту, з якою фільтри повинні бути налаштовані. У декількох випадках робота фільтра не може служити цілі лише через неправильну настройку на певній основній частоті, де відсутні гармоніки.
Першим важливим кроком є визначення порядку гармонік і в залежності від порядку гармоніки потреба фільтра повинні бути обрані. Для усунення одночастотних гармонічних спотворень серійні гармонічні фільтри ефективні, але в декількох випадках потрібно застосовувати фільтри з подвійною гармонікою.
Ці втрати через фільтри також повинні бути компенсовані, які в значній мірі залежать від вибору фільтра. Іноді для високого рівня нелінійних навантажень потрібні активні та пасивні обидва типи гармонійних фільтрів.