فیلتر

مدارات فیلتر

موضوع این مقاله‌ی فنی فیلترهای هارمونیک و طراحی آن‌هاست. مقادیر و معیارهای فیلترسازی[1] توصیه شده‌است که ممکن‌است برای سیستم‌های الکتریکی که دارای سطوح هارمونیک بسیار بالا هستند مورد نیاز باشد. مدارات فیلتر همچنین می‌توانند جریان‌های هارمونیک بیشتری جذب کنند.

فیلترهای هارمونیک در عمل؛ وقتی که سطوح هارمونیک بالا‌است (عکس از Merus Active Harmonic Filter (Open); credit: RWW ENGINEERING)

 

مقالات مرتبط:

هارمونیک ها چگونه بر عملکرد موتورها و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خازن ها و غیره تأثیر مخرب می گذارند

 تاثیر ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور دیتاسنترها

هارمونیک ترانسفورماتور های سه فاز

هارمونیک در موتور القایی – خصوصیات گشتاور سرعت شار پایه

این یعنی مانند سیستم‌های محافظت‌شده از راکتور، از یک مدار سری راکتانس و یک خازن تشکیل شده‌است.

به دلیل وجود قطعات و دستگاه‌های بسیار زیاد، مانند نرم‌سازی خازنی که هارمونیک ایجاد می‌کند (به ویژه هارمونیک‌های سوم، پنجم و هفتم)، باعث می‌شود آشفتگی (یا اعوجاج) ناخواسته‌ای در شبکه ایجاد شود. وقتی سطوح هارمونیک زیاد بالا باشند، یک راه‌حل با فیلتر هارمونیک مورد نیاز‌است. قبلاً، فیلترهای پسیو، فیلترهای اکتیو (AF)، و اخیراً فیلترهای هیبرید به کار می‌رفت.

فهرست محتوا

• 1- فیلترهای پسیو
• 2- فیلترهای اکتیو
• 3- فیلترهای هیبرید
• 4- معیار انتخاب
• 5- فیلترهای هارمونیک – مروری بر IEEE 1531 (ویدئو)

1- فیلترهای پسیو

فیلتر پسیو از یک مدار سری راکتور و خازن تشکیل شده‌است. جریان‌های هارمونیک، برای مثال، توسط مبدل فرکانس تولید‌شده و توسط این مدار شانت می‌شوند. طراحی این مدار طوری است که در فرکانس مشخص، در مقایسه با سایر قسمت‌های شبکه، امپدانس پایینی داشته باشد.

کارکرد توصیف شده با یک ژنراتور هارمونیک، امپدانس نشان دهنده‌ی تمام بارهای دیگر، یک فیلتر، و شبکه‌ی ولتاژ متوسط به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده‌شده‌است.

شکل 1. فیلترسازیِ پسیو هارمونیک‌ها

مدار معادلی که با ژنراتور هارمونیک که به صورت یک ژنراتور جریان هارمونیک مدل‌سازی شده‌است در شکل 2 نشان داده‌شده‌است. این مدار شامل یک شبکه‌ی ولتاژ متوسط (MV) بوده و اعوجاج ولتاژ توسط یک ژنراتور ولتاژ هارمونیک نشان داده‌شده‌است.

 

شکل 2. مدار معادل برای فیلترینگ هارمونیک پسیو

چون فیلترهای پسیو امپدانس بسیار کمی در فرکانس رزونانس دارند، جریان هارمونیک مربوطه نیز با دامنه‌ی خود در مدار جاری می‌شود.

فیلترهای پسیو ممکن‌است تحت فشار اضافه‌باری قرار بگیرند، که تحت این شرایط خاموش شده و یا آسیب می‌بینند. اضافه‌باری ممکن‌است با حضور هارمونیک‌های پیشبینی نشده بر روی سیستم تغذیه و یا اصلاحات ساختاری در خود نیروگاه ایجاد شود (مانند نصب یک درایو جدید).

فیلترهای پسیو همیشه مقداری توان راکتیو ارائه می‌کنند. وقتی بارهایی که باید جبران شوند درایو‌های جریان متناوب (AC) هستند و از قبل فاکتور توان (PF) خوبی دارند این کار مطلوب نیست. در این حالت، ریسک تقویت بیش از حد به وجود می‌آید که در نتیجه‌ی آن ممکن است شرکت توزیع متحمل هزینه شود.

درجه فیلترسازی ارائه شده توسط فیلتر پسیو بر اساس امپدانس آن در ارتباط با تمام امپدانس‌های دیگر در شبکه مشخص می‌شود. در نتیجه، سطح فیلترسازیِ فیلتر را نمی‌توان کنترل کرده و فرکانس تنظیم آن ممکن است با گذر زمان به دلیل فرسایش قطعات یا تغییرات در شبکه تغییر یابد.

پس در این حالت کیفیت فیلترسازی کاهش پیدا می‌کند.

همچنین باید توجه داشت که مدار فیلتر پسیو تنها یک جزء هارمونیک را فیلتر می‌کند. برای هر هارمونیک که نیازمند فیلتر باشد یک مدار فیلتر جداگانه مورد نیاز‌است.

برای چیره شدن بر مسائل مربوط به فیلترهای پسیو و برای مطابقت با تقاضای پیوسته برای کیفیت توان خوب، فیلترهای اکتیو برای کاربردهای ولتاژ پایین (LV) توسعه یافتند.

شکل 3 اصول ساده‌ی فیلتر پسیو و کارکردهای آن را نشان می‌دهد. پیشرفت امپدانس بر روی فیلتر تنظیم در فرکانس هارمونیک خاص و مناطقی که در آن تقویت رزونانس رخ می‌دهد را نشان می‌دهد.

شکل 3. اصول فیلتر پسیو (برای شبکه‌های 50Hz)

فیلتر پسیو می‌تواند از چند مرحله تشکیل شده‌باشد که به فرکانس‌های مختلف تنظیم شده‌اند. همچنین فیلتر می‌تواند برای یک فرکانس خاص از چند مرحله تشکیل شده‌باشد. فرکانس تنظیم، ظرفیت و امپدانس شبکه اثربخشیِ فیلتر را نشان می‌دهد.

برای هر هارمونیک تا فرکانس مطلوب یک مرحله مورد نیاز است.

با فیلترهای پسیو، فرکانس‌های تنظیمی گام‌های فیلتر به صورت دقیق به جریان‌های هارمونیک تنظیم نمی‌شود، پس از جریان‌های فیلتر به شدت بالا جلوگیری می‌شود.

به علاوه، فیلترسازیِ پسیو نه تنها در بازه‌ی هارمونیک‌های سوم الی بیست و پنجم موثر است، بلکه برای فراتر از آن نیز می‌تواند مفید واقع شود. گام‌های فیلتر برای تمام هارمونی‌های ممکن با درجه‌ی پایین‌تر باید برای هر مدار فیلتر ارائه شود، یعنی هارمونی‌های بالا، و به این ترتیب از تقویت آن‌ها جلوگیری به عمل آید.

فیلترهای پسیو معمولاً به صورت فیلترهای تنظیم شده (تیون) پیاده‌سازی می‌شوند. در شبکه‌های صنعتی، این فیلترها معمولاً به هارمونی‌های درجه‌ی v=5,7,11,13,… تنظیم می‌شوند که برای اینورترها معمول هستند.

فیلترهای پسیو – و سیستم‌های تقویت محافظت شده‌ی راکتور – از یک مدار سریِ راکتور و خازن تشکیل شده‌است. مشخصه‌های رزونانس سری برای انحراف جریان‌های هارمونیک در فرکانس خاص، از طریق امپدانس پایین، استفاده می‌شود.

این یعنی امپدانس/مقسم جریان مرحله‌ی فیلتر، جریان هارمونیک جاری شده در شبکه را کاهش می‌دهد، و همچنین باعث می‌شود ولتاژ هارمونیک در امپدانس شبکه کاهش پیدا کند.

در کنار «توان تقویتی فرکانس اساسی» (توان راکتیو هارمونیک پایه) ارائه شده، قابلیت بار هارمونیک مشخصه‌ی بسیار مهمی برای فیلتر پسیو خواهد بود.

به دلیل تیون دقیق، مدارات فیلتر را نمی‌توان مانند تقویت توان راکتور کنترل کرد. تولید هارمونی‌ها با نیازمندی‌های تقویت همبستگی ندارد. این یعنی مراحل مورد نیاز برای همان فرکانس تنظیم شده با سوئیچ بر اساس نیازمندی‌های توان راکتیو، اضافه‌باری متحمل شوند.

این خطر به ویژه وقتی وجود دارد که تقاضای تقویت پایین بوده و تولید هارمونی‌ها بالا باشد.

 

2- فیلترهای اکتیو

فیلترهای اکتیو سیستم‌هایی هستند که از الکترونیک قدرت استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها یا به صورت سری و یا به صورت موازی با بار غیر خطی متصل می‌شوند تا جریان‌های هارمونیک مورد نیاز توسط بار غیر خطی را ارائه کرده و از اعوجاج در سیستم برق جلوگیری شود (شکل 4).

فیلترهای اکتیو در جهت معکوس هارمونی‌های کشیده شده توسط بار را تزریق می‌کنند، بطوریکه جریان خط به صورت سینوسی باقی می‌ماند. این نوع فیلترها برای سیستم‌های تجاری موثر و توصیه می‌شوند که از مجموعه‌ای از دستگاه‌های تولید کننده‌ی هارمونیک تشکیل‌شده و مقدار مجاز توان آن‌ها کمتر از 200kVA‌است (درایوهای سرعت متغیر، منابع تغذیه‌ی بدون وقفه (UPS)، تجهیزات اداری و غیره).

همچنین، این سیستم‌ها برای شرایطی که در آن اعوجاج جریان باید برای جلوگیری از اضافه‌باری کاهش پیدا کند استفاده می‌شود.

شکل 4. نصب فیلتر فعال

که در آن:

• 1- I_s = جریان منبع
• 2- I_act = جریان تزریق شده توسط فیلتر اکتیو
• 3- I_bar = جریان هارمونیک تولیدی توسط بار غیرخطی

در حالت کلی، فیلترهای اکتیو، فیلترهای هارمونی‌های خاص هستند.

فیلتر اکتیو معمولاً به شکل یک فیلتر موازی به کار می‌رود. توجه داشته باشید که این بخش تفاوت بین فیلترهای موازی و سریال را بررسی نمی‌کند. گاهی اوقات، به جای استفاده از عبارت «فیلتر اکتیو» بیشتر از عبارت «فیلتر هارمونیک اکتیو» استفاده می‌شود. برخلاف فیلتر پسیو که در بالا به آن اشاره شد، این فلتر همه چیز را تا شکل سینوسی جریان‌ها یا ولتاژ‌ها در نقطه‌ی اتصال بهبود می‌دهد.

فیلترهای اکتیو جریان‌های هارمونیک مورد استفاده توسط مصرف کننده را تعبیه می‌کنند،بطوریکه تحت شرایط ایده‌آل، تنها جریان فرکانس مبنا از شبکه‌ی توزیع اپراتور محلی دریافت می‌شود (شرکت توزیع). اکثر فیلترهای اکتیو دیجیتالی هستند (یعنی طیق هارمونیک توسط مقدار و جایگاه فاز با استفاده از اندازه‌گیریِ جریان مشخص‌شده و یک طیف جریان counter-phase[2] مناسب تولید می‌شود).اکثر فیلترهای هارمونیک اکتیو در بازار امروز با جریان کنترل‌شده و می‌توانند جریان هارمونیک بار اندازه‌گیری شده را فیلتر کنند.

سطح هارمونیک از MV و یا ژنراتورهای هارمونیک خارج از مدار اندازه‌گیری تحت تأثیر آن قرار نمی‌گیرند. فیلترهای اکتیو می‌توانند تا مقدار جریان نامی که دارند جریان‌های هارمونیک را فیلتر کنند، که در آن باید به ازای هر فرکانس یک فاکتور تنزل (کاهش) برای هر فرکانس خاص در نظر گرفته شود.

نمونه‌هایی از کاربردهای معمول فیلتر اکتیو عبارتند از:

1. شبکه‌های توزیع در ساختمان‌های اداری که دارای بارهای غیرخطی بسیاری بوده و باعث اعوجاج هارمونیک کل THD-1 . S/Sr>20% می‌شوند.
2. شبکه‌های توزیع که اعوجاج ولتاژ حاصل از جریان‌های هارمونیک آن‌ها باید برای جلوگیری از نقص‌های عملکردی بارهای حساس کاهش پیدا کند.
3. شبکه‌های توزیع که جریان هارمونیک آن‌ها باید برای جلوگیری از اضافه‌باری کاهش پیدا کند؛ به ویژه هادی‌های خنثی (نول).

چند کاربرد دیگر عبارتند از:

1. بار اینورتر قدرت با بازخورد هارمونیک بالا و نیازمندی‌های توان راکتیو پایین.
2. شبکه‌هایی که به دلیل استفاده از مصرف‌کننده‌های تک فاز دارای سهم زیادی از هارمونیک سوم هستند.

چند مشخصه‌ی مهم فیلترهای اکتیو عبارتند از:

1. اکثر فیلترهای اکتیو با کنترل‌شده‌ی جریان هستند.
2. می‌توانند بدون هرگونه مشکلی مانند فیلترهای توزیع‌یافته برای بخش‌های منتخب سیستم به کار روند.
3. تراکم بالای توان و فضای کم مورد نیاز است.
4. جبران توان راکتیو امکان‌پذیر است، اما نیازمند منابع حجیمی برای فیلتر است.
5. فیلترسازیِ منتخب تک تک فرکانس‌ها.
6. راه‌حل‌های اکتیو از نظر استفاده انعطاف‌پذیری بیشتری دارند اما گران‌قیمت هستند.
7. فیلترهای اکتیو را نمی‌توان برای فیلتر هارمونیک دارای اضافه‌بار کرد.

برخی از مزایای فیلترهای اکتیو عبارتند از:

1. تقویت توان راکتیو
2. تقویت دینامیک
3. توازن بار
4. جبران فلیکر
5. مدارات فیلتر تنظیم‌شده
6. صرفه‌جویی در انرژی
7. ثبات ولتاژ

3- فیلترهای هیبرید

دو نوع فیلتر ارائه شده در بالا را می‌توان در یک دستگاه تجمیع کرد، و یک فیلتر هیبرید به دست آورد. این نوع فیلتر مزایای سیستم‌های موجود را باهم ترکیب کرده و راه‌حل عملکرد بالایی برای پوشش بازه‌ی توان وسیعی ارائه می‌کند (شکل 5).

شکل 5. نصب فیلتر هیبرید

فیلترهای هیبرید برای کاربردهای خاص زیر مناسب هستند:

1. نصب‌های صنعتی متشکل از مجموعه‌ای از دستگاه‌ها که باعث ایجاد هارمونی‌هایی با مقدار توان مجاز کامل در بازه‌ی 200kVA یا بیشتر می‌شود (درایوهای سرعت متغیر، UPSها، یکسوسازها و غیره).
2. شرایطی که در آن باید برای جلوگیری از اختلال در بارهای حساس باید اعوجاج کاهش پیداکند.
3. شرایطی که در آن تطابق با محدودیت‌های تشعشع هارمونیک خاص ضروری‌است.
4. نصب‌هایی که در آن اصلاح PF مورد نیاز است.
5. شرایطی که در آن برای جلوگیری از اضافه‌باری باید اعوجاج جریان کاهش پیداکند.

 

4- معیار انتخاب

با توجه به توضیحات فوق برای انواع فیلترها، می‌توان با استفاده از معیارهای زیر نوع فیلتر مناسب را انتخاب کرد فیلترهای پسیو هم دارای اصلاح PF بوده و هم ظرفیت بسیار بالایی برای فیلتر جریان دارند.

نصب‌هایی که در آن از فیلترهای پسیو استفاده شده‌است، باید به اندازه‌ی کافی ثبات داشته‌اشند،یعنی، سطح نوسان بار باید در آن‌ها کم باشد. اگر سطح توان راکتیو بالایی عرضه شود،پیشنهاد می‌شود وقتی سطوح بار پایین‌است فیلتر پسیو انرژی زدایی (تخلیه) شود.

مطالعات مقدماتی برای فیلتر باید بانک‌های خازنی را مد نظر قرار دهند که ممکن است باعث حذف آن‌ها نیز شود.فیلترهای اکتیو هارمونی‌ها را در بازه‌ی وسیعی جبران می‌کنند.این فیلترها را می‌توان برای هر نوع باری به کار برد. با این همه، ظرفیت اصلاحی[3] آن‌ها محدود‌است.فیلترهای هیبرید نقاط قدرت فیلترهای پسیو و اکتیو را با هم ترکیب می‌کنند.

 

5- فیلترهای هارمونیک – مروری بر IEEE 1531

در این وبینار، که آموزش آن بر عهده‌ی Pablo De Jarmy در Projar مکزیک بود، بهترین شیوه‌های طراحی فیلتر هارمونیک با مروری بر استاندارد IEEE 1531 ارائه شده‌است. پس از اینکه فیلتر هارمونیک برای فرکانس مشخص و ظرفیت kVAr معلوم مشخص شد، فاکتورهای بسیاری برای مشخصه‌ی نهایی مورد نیاز است، زیرا فیلتر به احتمال زیاد تحت شرایط ایده‌آل کار نخواهد کرد. استاندارد IEEE 1531 یک استاندارد برای طراحی فیلتر ارائه می‌کند که هدف آن چیره شدن بر شرایط کم‌تر از ایده‌آل و اطمینان از کارکرد فیلتر بدون مشکلات دیگر‌است.

منابع

Electric distribution systems by Abdelhay A. Sallam and Om P. Malik

Reactive power compensation – A practical guide by Wolfgang Hofmann (Reactive Power Engineering, Munich, Germany), Jurgen Schlabbach (University of Applied Sciences, Bielefeld, Germany) and Wolfgang Just (Engineering Consultant, Dorsten, Germany)

[1] به جای فیلترینگ

[2] فاز مخالف

[3] Conditioning