آموزش الکترونیک

مدار فیلتر هارمونیک چیست؟ چگونه هارمونیک را از بین ببریم؟

مدار فیلتر هارمونیک : چگونه با استفاده از فیلترهای هارمونیک اکتیو و پسیو ، هارمونیک ها را حذف کنیم؟

هارمونیک ها چه هستند؟

در سیستم های قدرت ، هارمونیک ها به عنوان مضرب های عدد صحیح مثبت از فرکانس اساسی تعریف می شوند. هارمونیک یک ولتاژ یا جریان است که در چند برابر فرکانس اساسی رخ می دهد. اغلب به عنوان نویز در خط قدرت تلقی می شود.

هارمونیک های موجود در سیستم قدرت را می توان به دو نوع طبقه بندی کرد : هارمونیک های جریان و هارمونیک های ولتاژ.

هارمونیک های جریان توسط بارهای غیر خطی مثل VSD ها (داریوهای سرعت مختلف) القا می شوند. بارهای غیرخطی ، جریان را از خط قدرت می کشند که در یک شکل موج سینوسی کامل نیست. شکل موج جریان غیر سینوسی می تواند یک سری پیچیده ای از سینوسی ساده باشد که می تواند در یک عدد صحیح ، چندین برابر فرکانس اساسی خط قدرت نوسان کند.

در بیشتر موارد ، هارمونیک های ولتاژ در اثر هارمونیک های جریان ایجاد می شوند . هارمونیک ولتاژ به دلیل ولتاژِ از بین رفته توسط اثر هارمونیک های جریان با امپدانس منبع ایجاد می شود.

هارمونیک ها چه هستند؟

تصویر بالا شکل موج جریان پریشان را سراسر بار غیر خطی نشان می دهد. در اینجا شکل موج جریان معوج ، پیروی موج سینوسی نیست. این ، هارمونیک جریان در سیستم قدرت را نشان می دهد.

چرا لازم است هارمونیک ها در سیستم از بین بروند؟

هارمونیک های ولتاژ و جریان به طور مستقیم متناسب با انتقال قدرت پر سر و صدا به بار هستند. تجهیزات مختلف خانگی و اداری مسئول هارمونیک سیستم قدرت هستند. هارمونیک های سیستم قدرت اغلب جریان بار را افزایش می دهند. سازه های مختلف ، مانند چراغهای فلورسنت در کارخانه ها یا خانه یا محل کار ، تحت تاثیر هارمونیک ها  قرار گرفته و نقص های مختلفی را متحمل می شوند. موتورها به طور قابل توجهی تحت تاثیر هارمونیک های سیستم قدرت هستند.

گاهی هارمونیک ها در سیستم های قدرت می توانند خطرناک باشند و قدرت دریافت شده به سازه ها را افزایش دهند که منجر به افزایش دما در بار می شود و می تواند عمر سازه را کوتاه کند.

برای غلبه بر این هارمونیک های سیستم قدرت، باید اتصال قدرت را برای درایو بارهای غیرخطی و عرضه ی فیلترهای هارمونیک در سیستم قدرت احیا کنید.

انواع فیلتر های هارمونیک

فیلتر هارمونیک برای محافظت از تجهیزات الکتریکی پرهزینه در برابر خروجی های قدرت تحریف شده، که به دلیل هارمونیک ، بسیار موثر است. انواع مختلفی از فیلترهای هارمونیک بسته به توان نامی ، ولتاژ کاربردی ، تک فاز یا سه فاز و سایر پارامترهای وابسته به بار ، در بازار برق و الکترونیک موجود است.

به هر حال ، دو نوع فیلتر هارمونیک اصلی وجود دارد که عبارتند از: فیلترهای هارمونیک پسیو و فیلتر هارمونیک اکتیو.

تفاوت اصلی بین این دو نوع فیلتر هارمونیک در  اجزای مورد استفاده، برای طراحی فیلتر است. فیلترهای هارمونیک پسیو از اجزای ساده پسیو، به طور عمده مقاومت ها، القاگرها و خازن ها استفاده می کنند .در حالی که،  فیلترهای هارمونیک اکتیو از اجزای اکتیو مانند انواع مختلف BJT ، IGBT ، MOSFET و مدارهای مجتمع استفاده می کنند.

حتما ببینید :  BLE چیست ؟ آموزش بلوتوث کم انرژی یا کم مصرف

از آنجا که فیلترهای هارمونیک تجهیزات ایمنی خط الکتریکی هستند ، آنها باید استانداردهای ایمنی بین المللی مانند IEEE ، EN ، AS ، BS و آزمایشگاه های تحت پوشش بیمه UL را تأیید کنند.

همچنین فیلترهای هارمونیک را می توان به ترتیب های مختلف طراحی کرد. مانند رتبه سوم ، فیلترهای هارمونیک می توانند فرکانس را که سومین مورد از فرکانس اساسی است ، فیلتر کنند.

اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید.

فیلترهای هارمونیک غیرفعال Passive

فیلترهای هارمونیک پسیو رایج ترین و آسان ترین فیلتر هارمونیکی هستند. این فیلتر برای جلوگیری از اختلال هارمونیک در خط قدرت ، مقرون به صرفه است.

همانطور که قبلاً گفته شد ، فیلتر های هارمونیک پسیو از اجزای استاندارد پسیو یا غیرفعال مانند مقاومت‌ ها ،القاگرها و خازن ها استفاده می کنند. از این مؤلفه های غیرفعال برای تشکیل مدار مخزن نیز استفاده می شود. مدار مخزن به روش خاصی طراحی شده است که با توجه به هارمونیک های نا خواسته می توان در همان فرکانس رزونانس کار کرد. فیلترهای هارمونیک پسیو مانع از عبور هارمونیک های ناخواسته می شوند. فیلتر هارمونیک پسیو جریان هارمونیک را به حرارت تبدیل کرده و از دستگاه یا بار نهایی محافظت می کند. فیلتر را می توان به فرکانس خاصی تنظیم کرد که باید به عنوان هارمونیک حذف شود.

به طور عمده از چهار نوع فیلتر هارمونیک پسیو استفاده می شود:

  1. فیلتر بالا گذر
  2. فیلتر میان گذر
  3. فیلتر نوع C
  4. فیلتر سری

فیلتر هارمونیک بالاگذر

از فیلترهای هارمونیک پسیو بالاگذر برای از بین بردن هارمونیک های مرتبه بالاتر و کنترل انعطاف پذیری بر روی طیف گسترده ای از فرکانس ها استفاده می شود. طراحی اولیه فیلتر هارمونیک بالاگذر از سه مؤلفه غیرفعال مقاومت ، خازن و القاگر استفاده می کند.

فیلتر هارمونیک بالاگذر

در تصویر بالا می توانیم ساخت اولیه فیلتر هارمونیک بالاگذر پسیو را مشاهده کنیم. ساختار نشان می دهد مقاومت و القاگر در اتصال موازی یک خازن به صورت سری است. فیلتر، امپدانس مسطح را در محدوده فرکانس بالا تولید می کند. فرکانس بالا باعث اتلاف انرژی می شود.

این نوع فیلترها عمدتاً برای فیلتر کردن جریان  5th/ 6th یا بالاتر استفاده می شود. غالباً فیلترهای مختلف با فیلترهای هارمونیک بالاگذر ترکیب می شوند تا در هنگام استفاده در برنامه های کم مصرف یا فرکانس پایین ، اتلاف نیرو را از بین ببرند.

منحنی امپدانس با فرکانس را می توان در تصویر زیر نشان داد.

منحنی امپدانس با فرکانس فیلتر هارمونیک بالا گذر

فیلتر هارمونیک میان گذر

فیلتر هارمونیک میان گذر یک فیلتر تقویت کننده است. فیلتر هارمونیک میان گذر از دو خازن ، دو القاگر و یک مقاومت منفرد تشکیل شده است. همچنین برای اهداف فیلتر کردن هارمونیک پرمصرف استفاده می شود. این فیلتر با ترکیب رزونانس موازی فیلتر میان گذر به همراه رزونانس القاگر سری و خازن ترکیب شده است.

فیلتر هارمونیک میان گذر

در تصویر بالا ، الگوی اولیه فیلتر میان گذر نشان داده شده است. مدار فیلتر دارای دو بخش است ، در قسمت اول یک خازن C2 و القاگر L2 به صورت سری متصل می شوند در حالی که در قسمت دوم یک مقاومت ، یک القاگر و یک خازن به طور موازی وصل می شوند. قسمت اول و قسمت دوم نیز به صورت سری متصل می شوند.

ویژگی های امپدانس با فرکانس را می توان در نمودار زیر نشان داد.

امپدانس با فرکانس فیلتر هارمونیک میان گذر

فیلتر هارمونیک نوع C

از فیلتر نوع C برای مرتبه پایین مانند فیلتر کردن هارمونیک مرتبه دوم یا سوم ،استفاده می شود.  فیلترهای نوع C نسبت به فیلترهای میان گذر یا سری خسارت کمتری دارند.

حتما ببینید :  کاربرد آردوینو در صنعت (ساخت PLC با برد صنعتی آردوینو)

فیلتر هارمونیک نوع C

فیلترهای نوع C شامل 4 مؤلفه پسیو هستند، دو خازن ، یک القاگر و یک مقاومت منفرد

در تصویر بالا ، ساخت اولیه فیلتر نوع c نشان داده شده است.  یک خازن در یک سری از القاگرها وصل می شود که دوباره به موازات مقاومت به یکدیگر متصل می شوند.  اتصال موازی سه جزء، دوباره در یک سری با خازن دوم وصل می شود.

منحنی امپدانس فیلتر هارمونیک نوع C

فیلتر هارمونیک سری

فیلتر سری به عنوان فیلتر پسیو بازدارنده هارمونیک تنظیم شده واحد نامیده می شود.  این فیلتر ساده ترین ویژگی های ساختار را دارد.  فقط از3 مؤلفه پسیو که یک خازن ، القاگر و مقاومت است در سری استفاده می شود.  این فیلتر فرکانس منفرد را از بین می برد.

ساخت این فیلتر را می توان در تصویر زیر نشان داد که در آن 3 مؤلفه پسیو به صورت سری به هم متصل شده اند تا فیلتر هارمونیک سری تنظیم شده واحد را تشکیل دهند.

فیلتر هارمونیک سری 

ویژگی امپادانس در تصویر زیر نشان داده شده است.

فیلتر هارمونیک سری منحنی امپدانس

فیلترهای هارمونیک فعال Active

همانطور که قبلا بحث کردیم ، فیلترهای هارمونیک پسیو برای از بین بردن هارمونیک های مرتبط با خط قدرت مفید هستند. اگرچه ، طراحی فیلترهای هارمونیک پسیو کاملا پیچیده است و طراح باید فیلترهای هارمونیک پسیو را مطابق با نیازهای قدرت راکتیوِ بار ، طراحی کند. در چنین موردی ، طراحی فیلتر پسیو بسیار دشوار است و منجر به عملکرد ضریب توان ضعیف برای شرایط بار خاص می شود.

در این مورد ، فیلترهای اکتیو برای هندل کردن هارمونیک های خط قدرت بدون وابستگی به قدرت راکتیو فرکانس اساسی بهتر است.

فیلترهای هارمونیک اکتیو ، از یک روش عالی استفاده میکنند جاییکه که فیلتر از اجزای هارمونیک خودساخته، استفاده می کند و این را به خط قدرت تزریق می کند که آن هارمونیک های ناخواسته را لغو می کند.

انواع متفاوتی از فیلترهای اکتیو موجود است که از توپولوژی های مختلفی برای از بین بردن هارمونیک ها در خط قدرت استفاده می کنند.

متداول ترین طراحی فیلترهای هارمونیک اکتیو از موارد اساسی زیر استفاده می کند

  1. اینورتر منبع ولتاژ با استفاده از سوئیچ های قدرت متنوع
  2. نمونه گیری و مرجع کنترل از خط قدرت
  3. سیستم PWM که پالس احتراق PWM را به عنوان هارمونیک به سیستم تزریق می کند.

فیلتر هارمونیک اکتیو از یک نوع متفاوت سوئیچ های نیمه رسانا که برای عملکرد به قدرت نیاز دارد ، استفاده می کند.

چگونه فیلترهای هارمونیک را انتخاب کنیم؟

تعیین فیلتر هارمونیک کاملاً دشوار است. باید فرکانس هارمونیکی را که فیلترها باید در آن تنظیم شود، شناسایی کرد. در چند مورد ، عملکرد فیلتر ، تنها به دلیل تنظیم اشتباه در یک فرکانس اساسی خاص که در آن هیچ هارمونیکی وجود ندارد، در انجام هدف مورد نظر ناکام است.

اولین قدم مهم  ، شناسایی رتبه ی هارمونیک است و بسته به رتبه ی هارمونیک ، فیلتر باید انتخاب شود. برای از بین بردن اعوجاج هارمونیک با فرکانس منفرد ، فیلترهای هارمونیک سری کارآمد هستند اما در برخی موارد فیلترهای هارمونیک double tuned باید به کار گرفته شوند.

خسارات موجود در فیلترها نیز باید جبران شود که به شدت ، به انتخاب فیلتر بستگی دارند. گاهی اوقات برای سطح بالایی از بارهای غیر خطی ، اکتیو و پسیو ، هر دو نوع از فیلترهای هارمونیک مورد نیاز هستند.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا