فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی چیست و چه کاربردی دارد؟
فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی یک تجهیز الکترونیکی است که طراحی شده است تا هارمونیک‌های مضر و نویزهای الکتریکی در سیستم‌های برقی را کاهش دهد. این فیلتر از خازن‌ها به عنوان عناصر اصلی خود استفاده می‌کند تا جریان‌های هارمونیکی را جذب کرده و از مدار حذف نماید.
کاربرد اصلی فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی در مواجهه با هارمونیک‌های تولید شده توسط بارهای غیرخطی میباشد. بارهایی که از دیودها، الکترونیک قدرت، یا دستگاه‌های الکتریکی غیرخطی دیگر تشکیل شده‌اند، ممکن است هارمونیک‌های نامطلوبی ایجاد کنند که باعث افزایش نویز و تحریکات جانبی در شبکه برق شوند. فیلتر حذف هارمونیک با جذب این هارمونیک‌ها و تعادل جریان الکتریکی، تاثیر زیادی در بهبود کیفیت تغذیه برق و حفظ سلامت تجهیزات الکتریکی دارد.
بانک خازنی در این فیلتر به عنوان یک ذخیره‌کننده انرژی عمل می‌کند و جریان‌های هارمونیکی را به صورت فعال از شبکه جذب و از مدار حذف می‌کند. این روش کاهش مستقیم جریان‌های هارمونیکی را امکان‌پذیر می‌سازد و باعث پایداری و بهینه‌سازی عملکرد سیستم برقی می‌شود.
استفاده از فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی در سیستم‌های صنعتی، اداری یا حتی سیستم‌های تأمین انرژی خانگی، می‌تواند بهبود قابل توجهی در عملکرد و کارایی تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی به‌دست آورد. این ابزارهای پیشرفته به عنوان یک راهکار کارآمد به منظور کاهش هارمونیک‌ها و بهبود کیفیت تغذیه برق در شبکه‌های برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.
فیلتر هارمونیک خازنی چیست؟
فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی به عنوان یک نگهبان محافظ علیه هارمونیک‌های مختلف عمل می‌کند. این فیلتر با مهار هارمونیک‌ها، از ورود آنها به خازن جلوگیری می‌کند. جبران سازی توان راکتیو به عنوان یک ابزار بهینه‌سازی هزینه انرژی و بازگشت سریع سرمایه به حساب می‌آید. در چند سال اخیر، با بهره‌گیری از مواد نوین و فناوری‌های تولید پیشرفته، خازن‌ها با تلفات بسیار کم در حجم‌های کوچک ساخته شده‌اند.
توسعه و تولید کنتاکتورهای خازنی و رگولاتورهای میکروپرسسوری پیشرفته، که رفتار مناسب و بهینه بانک خازنی را در برابر تغییرات بار تضمین می‌کنند، باعث ایجاد بانک‌های خازنی کاملاً قابل اعتماد شده است.
اهمیت آگاهی مشاوران و مصرف کنندگان از چالش‌های پیچیده در زمینه بانک‌های خازنی
در مواجهه با افزایش نوسانات هارمونیکی در شبکه‌های فشار ضعیف و متوسط، فرآیند طراحی بانک‌های خازنی به یک وظیفه پیچیده و چالش‌برانگیز تبدیل شده است. دستگاه‌های متنوعی نظیر سازه‌ها، کنترلرهای الکترونیکی موتورها، مبدل‌های فرکانس و بارهای الکترونیکی، جهت تعادل توان راکتیو مصرفی، به خازن نیاز دارند. این در حالی است که مصرف‌کنندگان نیز به عنوان مولد هارمونیک عمل می‌کنند.
در صورت نزدیک بودن فرکانس رزونانس میان ترانس و خازن به فرکانس هارمونیک، خطرات جدی به وجود می‌آیند. به همین دلیل، به شدت توصیه می‌شود که افراد مسلط با تجربه در زمینه برنامه‌ریزی صحیح، به عنوان مشاوران، به طراحی مناسب و پیشگیری از مشکلات و هزینه‌های احتمالی بپردازند.
آشنایی با پدیده هارمونیک در شبکه‌های فشار ضعیف
هارمونیک، یک پدیده برقی است که با افزایش مصرف‌کنندگان غیرسینوسی در شبکه‌های فشار ضعیف، به شدت در حال رشد است. جریان‌های غیرسینوسی که از شبکه عبور می‌کنند، باعث ایجاد افت ولتاژ از امپدانس شبکه می‌شود، که در نتیجه اعوجاجاتی در ولتاژ سینوسی شبکه ایجاد می‌کند.
این اعوجاجات را می‌توان با مفهوم سری فوریه توضیح داد، جایی که تمامی موج‌ها (جمله‌های سری فوریه) با فرکانسی که برابر با ضرب‌کننده صحیحی از فرکانس پایه (فرکانس شبکه) است، به 
معروفند. این پدیده باعث ایجاد افت ولتاژ و اختلالات در سیستم برق می‌شود، که حائز اهمیت بسیاری در بهینه‌سازی شبکه‌های برق میباشد.
پرسشی که همواره بر سر ذهن افراد مشغول به فعالیت در حوزه برق است، این است که درصد دامنه هارمونیک‌ها چقدر میباشد؟
بررسی‌ها نشان می‌دهد که 5% از دامنه هارمونیک پنجم، 4% از دامنه هارمونیک هفتم و 2.5% از دامنه هارمونیک یازدهم را تشکیل می‌دهند. این اطلاعات نه تنها برای بارهای صنعتی بلکه برای مصارف خانگی نیز حائز اهمیت می‌باشند.
در واقع، بارهای غیر خطی، به عنوان مولدین اصلی هارمونیک‌ها در شبکه برق شناخته می‌شوند. این هارمونیک‌ها معمولاً در مرتبه‌های سوم، پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم قرار دارند. این واقعیت نشان‌دهنده اهمیت بررسی و مدیریت بهینه این هارمونیک‌ها در سیستم‌های برقی است.
منشأ هارمونیک‌ها: جستجویی در عالم فناوری
هارمونیک‌ها چه جایگاهی در سیستم برق دارند؟ این پرسش مهم در محیطات صنعتی با فشار ضعیف به ویژه زمانی مطرح می‌شود که تغییردهنده‌های سرعت موتورهای القایی در حال عمل هستند.
به غیر از محیط صنعتی، در همه ساختمان‌های مسکونی و تجاری همچنین هارمونیک‌ها حضور دارند. تلویزیون‌ها، کامپیوترها و حتی لامپ‌های کم مصرف نیز از مولدین این هارمونیک‌ها به حساب می‌آیند. این جستجوی پیچیده در دامنه فناوری و برق، نشانگر اهمیت بررسی و مدیریت مناسب هارمونیک‌ها در تمامی ابعاد زندگی است.
تأثیر خازن‌ها بر هارمونیک‌ها: راهنمای جامع
پیش از نصب خازن، میزان و انواع هارمونیک‌ها به تعداد بارهای غیرخطی در شبکه بستگی دارد. به عنوان یک مثال مفصل، در صورت نصب یک مبدل 6 پالسه تریستوری با توانی که 50% از توان ترانس را تشکیل می‌دهد، هارمونیک پنجم با دامنه 4% و هارمونیک هفتم با دامنه 3% در شبکه ایجاد خواهد شد.
هنگامی که تعداد زیادی مبدل تریستوری نصب می‌شود، به دلیل اختلاف فاز جریان‌های آنها، تأثیر هارمونیک‌های مبدل به حداقل می‌رسد. به عنوان مثال، اگر مبدل تریستوری با توان کلی 25% توان نامی ترانس نصب شود، هارمونیک‌ها با دامنه‌های موج اصلی به شرح زیر خواهند بود:
– هارمونیک پنجم با دامنه 1% تا 1.51%
– هارمونیک هفتم با دامنه 0.7% تا 1%
اثر بانک خازنی بدون فیلتر، با اندازه‌گیری هارمونیک‌ها نزدیک به فرکانس رزونانس، افزوده ولتاژ و جریان‌های رزونانسی را به وجود می‌آورد. این اطلاعات به مهندسان و تصمیم‌گیران در بهینه‌سازی سیستم‌های برقی کمک می‌کند.
طراحی بانک خازنی برای شبکه هارمونیکی
اهمیت اطلاعات در طراحی بانک خازنی: راهنمای جامع
در مرحله طراحی بانک خازنی، ترکیب دقیق اطلاعات بازیابی شده از اندازه‌گیری هارمونیک‌های ولتاژ و جریان در چند روز بدون حضور خازنی، تا حد زیادی تعیین‌کننده مسیر بهینه برای طراحی است. این اطلاعات شامل محاسبه تئوری فرکانس رزونانس و حداکثر مقدار دامنه هارمونیک اندازه‌گیری شده است که در ضریب تقویت بدست آمده از تحلیل کننده شبکه تأثیرگذار است.
برای مثال، در یک شبکه فشار ضعیف با ترانس 1000 کیلو وات آمپر، هنگام نصب بانک خازنی کامل (400 کیلو وات) در مدار، هارمونیک پنجم سه برابر و هارمونیک هفتم چهار برابر خواهد شد.
همچنین، حضور هارمونیک‌هایی با درصدهای مختلف در شبکه فشار متوسط، نیاز به بررسی دقیق دارد. در اینجا چند مثال از هارمونیک‌ها با فرکانس‌های مرتبه‌های مختلف آورده شده است. در شرایطی که دامنه ولتاژ هارمونیکی از مقادیر استانداردها فراتر رود، استفاده از بانک خازنی با سلف توصیه می‌شود، به خصوص اگر دامنه هارمونیک مرتبه 5 بیشتر از 2% یا هارمونیک مرتبه 7 و بالاتر بیشتر از 1% باشد.
در انتخاب بانک خازنی، نکات مهمی وجود دارد که شامل مجهز بودن بانک به فیلتر و عدم استفاده همزمان از بانک‌های خازنی با و بدون فیلتر در یک شبکه فشار ضعیف مشترک است. همچنین، می‌توان بانک‌های خازنی مجهز به فیلتر با فرکانس‌های رزونانس متفاوت را به صورت موازی نصب کرد تا احتمال تحت اضافه بار قرار گرفتن بانک با فرکانس رزونانس بالاتر را کاهش داد. این راهنماها به مهندسان و تصمیم‌گیران در انتخاب و بهینه‌سازی بانک خازنی کمک می‌کند.
انواع فیلتر حذف هارمونیک در بانک خازنی: راهنمای کامل
هنگامی که فرکانس رزونانس و فرکانس یکی از مولفه‌های هارمونیک با هم تطابق داشته باشند، پدیده رزونانس در شبکه ایجاد می‌شود. در این شرایط، مقدار موثر ولتاژ شبکه در زمان رزونانس تغییرات اندکی را تجربه می‌کند، در حالی که جریان موثر بانک خازنی به شدت افزایش می‌یابد.
برای جلوگیری از این پدیده که ممکن است به خازن‌ها و تجهیزات آسیب بزند، استفاده از فیلترهای حذف هارمونیک ضروری است. فیلترها به دو دسته اصلی اکتیو و پسیو تقسیم می‌شوند، که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خود را دارند.
فیلترهای پسیو به دو دسته Tuned و Detuned تقسیم می‌شوند و معمولاً در شرایطی که قیمت اقتصادی اهمیت دارد و نیاز به فیلتر اکتیو نداریم، از آنها استفاده می‌شود. این فیلترها به دلیل نوع عملکردشان می‌توانند افتراق فرکانس رزونانس را در شبکه به حداقل برسانند.
در شرایطی که ضریب قدرت شبکه کم و نیاز به خازن‌گذاری وجود دارد، فیلترهای Detuned برای جلوگیری از رزونانس و کاهش فرکانس رزونانس برای جلوگیری از انطباق فرکانس خازن با فرکانس هارمونیک غالب شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با توجه به نوع هارمونیک غالب شبکه، نیاز به یکی از دو دسته فیلتر P=14% و P=7% داریم. این فیلترها قابلیت حذف هارمونیک‌های پنجم به بالا و سوم به بالا را دارند، و البته قیمت آنها حدوداً دو برابر فیلترهای 7% است.
در شرایطی که هدف کاهش هارمونیک‌ها در نقاط اتصال بارهای غیرخطی است و نیاز به کاهش THD جریان در شبکه یا حد آن زیر مجاز است، استفاده از فیلترهای Tuned پیشنهاد می‌شود. این فیلترها معمولاً با یک راکتور سوییچ شونده TCR همراه می‌شوند و در شرایطی که بار به شدت متغیر است، توصیه می‌شود که بار یکپارچه باشد.
همچنین، فیلترهای اکتیو با ایجاد جریانی هم اندازه و معکوس در جهت مخالف هارمونیک‌ها، می‌توانند به بهبود ضریب قدرت شبکه و کاهش THD جریان کمک کنند. به طور کلی، استفاده همزمان از فیلترهای اکتیو و فیلترهای Detuned در بانک خازنی می‌تواند تصحیح ضریب قدرت شبکه، کاهش احتمال رزونانس، و کاهش THD را به همراه داشته باشد.
جمع‌بندی
در این مقاله، به انواع فیلترهای حذف هارمونیک بانک خازنی پرداخته شد. نحوه عملکرد فیلترهای پسیو و اکتیو، نقش آنها در جلوگیری از رزونانس و کاهش هارمونیک‌ها، و انتخاب مناسب‌ترین فیلتر براساس نیازهای شبکه بررسی شد. همچنین، به اهمیت اندازه‌گیری هارمونیک‌ها، تأثیر بانک خازنی بر دامنه هارمونیک‌ها، و مواردی که در انتخاب بانک خازنی باید در نظر گرفته شوند، اشاره شد.
