- Co jsou harmonické v elektrickém systému?
- Proč je nutné eliminovat harmonické v energetickém systému?
- Typ filtrů harmonických
- Pasivní harmonické filtry
- Aktivní harmonické filtry
- Jak vybrat harmonické filtry
Co jsou harmonické v elektrickém systému?
V energetických systémech jsou harmonické složky definovány jako kladné celé čísla násobky základní frekvence. Harmonické je napětí nebo proud, který se vyskytuje na násobku základní frekvence. Často se to považuje za hluk v elektrickém vedení.
Harmonické v napájecí soustavě lze rozdělit do dvou typů: harmonické proudu a harmonické napětí.
Tyto proudové harmonické indukované nelineární zatížení, jako je VSD (frekvenčních měničů). Nelineární zátěže odebírají proud z elektrického vedení, které není v dokonalém sinusovém průběhu. Nesinusový průběh proudu může být složitá řada jednoduchých sinusových signálů, které mohou kmitat na celé číslo, což je násobek základní frekvence elektrického vedení.
Ve většině případů jsou harmonické napětí způsobeny aktuálními harmonickými. K harmonické napětí dochází kvůli zkreslenému napětí produkovanému účinkem harmonických proudu s impedancí zdroje.
Výše uvedený obrázek ukazuje zkreslený průběh proudu napříč nelineárním zatížením. Zde zkreslený průběh proudu nesleduje sinusovou vlnu. To ukazuje aktuální harmonické v energetickém systému.
Proč je nutné eliminovat harmonické v energetickém systému?
Proudové a napěťové harmonické jsou přímo úměrné přenosu hluku do zátěže. Různá zařízení pro domácnost a kancelář jsou odpovědná za harmonické složky napájecího systému. Harmonické energetické soustavy často zvyšují proud zátěže. Různé nástroje, například zářivky v továrnách nebo v domě nebo v kanceláři, jsou ovlivňovány harmonickými a trpí různými poruchami. Harmonické soustavy energetického systému významně ovlivňují motory.
Někdy mohou být harmonické v energetických systémech velmi nebezpečné a zvyšovat výkon dodávaný do nástrojů, což vede ke zvýšení teploty v zátěži a může zkrátit životnost nástroje.
K překonání této harmonické soustavy napájecího systému je třeba rekonstruovat připojení napájení k pohonu nelineárních zátěží a zavést filtry harmonických do napájecího systému.
Typ filtrů harmonických
Filtry harmonických velmi účinné k ochraně nákladného elektrického zařízení před zkreslenými výstupy energie způsobenými harmonickými. Na trhu s elektronikou a elektronikou existují různé typy filtrů harmonických v závislosti na jmenovitém výkonu, aplikovaném napětí, jednofázové nebo třífázové a dalších parametrech závislých na zátěži.
K dispozici jsou však dva hlavní typy filtrů harmonických, kterými jsou pasivní harmonické filtry a aktivní harmonické filtry.
Hlavním rozdílem mezi těmito dvěma typy harmonických filtrů jsou komponenty použité pro návrh filtru. Pasivní harmonické filtry používají jednoduché pasivní součásti, zejména rezistory, induktory a kondenzátory. Zatímco filtry aktivních harmonických používají aktivní komponenty, jako jsou různé typy BJT, IGBT, MOSFET a integrované obvody.
Vzhledem k tomu, že filtry harmonických jsou bezpečnostním zařízením elektrického vedení, musí potvrdit mezinárodní bezpečnostní standardy, jako jsou IEEE, EN, AS, BS a značka UL pojistitele.
Filtry harmonických lze také navrhnout v různých pořadích. Stejně jako harmonické filtry třetího řádu mohou odfiltrovat frekvenci, která je třetím násobkem základní frekvence.
Pasivní harmonické filtry
Pasivní harmonické filtry jsou nejběžnějším a snadno dostupným harmonickým filtrem. Je to cenově dostupný filtr pro potlačení harmonického rušení v elektrickém vedení.
Jak již bylo řečeno, pasivní harmonické filtry používají standardní pasivní součásti, jako jsou rezistorové cívky a kondenzátory. Tyto pasivní komponenty se používají k vytvoření okruhu nádrže. Obvod nádrže je navržen zvláštním způsobem, aby mohl být provozován na stejné rezonanční frekvenci s ohledem na nežádoucí harmonické. Pasivní harmonické filtry blokují průchod nežádoucích harmonických. Pasivní harmonický filtr převádí harmonický proud na teplo a chrání koncové zařízení nebo zátěž. Filtr lze naladit na určitou frekvenci, kterou je třeba eliminovat jako harmonické.
Používají se hlavně čtyři typy pasivních harmonických filtrů:
1. Horní propust
2. Pásmový filtr
3. Filtr typu C a
4. Filtr série.
High pass filtr
Vysokopásmové pasivní harmonické filtry se používají k eliminaci harmonických vyšších řádů a k flexibilní kontrole nad širokým rozsahem frekvencí. Základní konstrukce vysokoprůchodového harmonického filtru používá tři pasivní součásti, odpor, kondenzátor a induktor.
Na obrázku nahoře vidíme základní konstrukci pasivního vysokoprůchodového harmonického filtru. Konstrukce ukazuje odpor a induktor je v paralelním zapojení kondenzátor v sérii. Filtr vytváří ploché impedanční charakteristiky ve vysokofrekvenčním rozsahu. Vysoká frekvence snižuje ztrátu energie.
Tento typ filtru se používá hlavně pro filtrování 5 th / 6. nebo vyššího řádu proud. Často se různé filtry kombinují s vysokofrekvenčními harmonickými filtry, aby se eliminovaly ztráty energie při použití v nízkofrekvenčních nebo nízkofrekvenčních aplikacích.
Křivku impedance s frekvencí lze zobrazit na následujícím obrázku.
Pásmový filtr
Harmonický filtr pro pásmovou propust je dvojitě vyladěný filtr. Harmonický filtr pásmové se skládá ze dvou kondenzátorů, dvou cívek a jediné odpor. Používá se také pro účely vyšší harmonické filtrace. Tento filtr pracuje s kombinací paralelní rezonance standardního pásmového filtru spolu se sériovou rezonancí induktoru a kondenzátoru dohromady.
Na obrázku výše je znázorněno základní schéma pásmového filtru. Filtrační obvod má dvě části, v první části kondenzátor C2 a induktor L2 je zapojena v sérii, zatímco v druhé části rezistor, induktor, a kondenzátor jsou spojeny paralelně. První část a druhá část jsou také zapojeny do série.
Charakteristiky impedance s frekvencí lze zobrazit v níže uvedeném grafu.
Filtr typu C.
Filtr typu C se používá pro nízké pořadí, například pro účely harmonické filtrace druhého nebo třetího řádu. Filtry typu C mají nižší ztráty než ekvivalentní pásmová propust nebo sériový filtr.
Filtry typu C se skládají ze 4 pasivních součástí - dvou kondenzátorů, induktoru a jednoho rezistoru.
Na obrázku výše je ukázána základní konstrukce filtru typu c. Kondenzátor je zapojen do série induktoru, který je opět zapojen paralelně s odporem. Tříkomponentní paralelní připojení je opět zapojeno do série s druhým kondenzátorem.
Rezistor potlačuje základní proud vytvářený oscilovaným induktorem a kondenzátorem.
Křivka impedance je zobrazena na následujícím obrázku -
Filtr série
Sériový filtr se nazývá pasivně odladěný harmonický potlačující filtr. Tento filtr má nejjednodušší konstrukční vlastnosti. V sérii se používají pouze tři pasivní součásti - jeden kondenzátor, induktor a rezistor. Tento filtr eliminuje jednu frekvenci.
Konstrukci tohoto filtru lze znázornit na následujícím obrázku, kde jsou 3 pasivní komponenty zapojeny do série a tvoří tak vyladěný sériový harmonický filtr.
Impedanční charakteristika je zobrazena na následujícím obrázku -
Aktivní harmonické filtry
Jak již bylo zmíněno výše, pasivní filtry harmonických jsou dobré k eliminaci harmonických složek sdružených v elektrickém vedení. Pasivní harmonický filtr je však skutečně složitý a návrhář musí navrhnout pasivní harmonické filtry v souladu s požadavky na jalový výkon zátěže. V takovém případě je konstrukce pasivního filtru velmi obtížná a vede za určitých podmínek zatížení ke špatnému provozu účiníku.
V tomto ohledu jsou aktivní filtry lepší pro zpracování harmonických kmitočtů elektrického vedení bez závislostí jalového výkonu na základní frekvenci.
Aktivní harmonické filtry používají vynikající metodu, kdy filtr využívá vlastní harmonické komponenty a vstřikuje je do elektrického vedení, které ruší nežádoucí harmonické.
K dispozici jsou různé typy aktivních filtrů, které používají různé topologie k eliminaci harmonických v elektrickém vedení.
Nejběžnější design aktivních harmonických filtrů používá následující základní věci jako
1. Střídač zdroje napětí pomocí různých výkonových spínačů
2. Vzorkování a kontrolní reference z elektrického vedení
3. Systém PWM, který vstřikuje PWM vypalovací impuls do systému jako harmonické.
Filtr Active Harmonic používá jiný druh polovodičových spínačů, jejichž provoz vyžaduje napájení.
Jak vybrat harmonické filtry
Určení dokonalého harmonického filtru je docela složité. Je třeba určit harmonickou frekvenci, na kterou je třeba filtry naladit. V několika případech selhala funkce filtru účelu jen kvůli špatnému vyladění na určité základní frekvenci, kde nejsou přítomny harmonické.
Prvním důležitým krokem je určit pořadí harmonických a v závislosti na pořadí harmonické potřeba filtr být vybrán. K eliminaci jednofrekvenčního harmonického zkreslení jsou harmonické filtry účinné, ale v několika případech je třeba použít dvojitě vyladěné harmonické filtry.
Tyto ztráty přes filtry také třeba kompenzovat, které jsou vysoce závislé na výběru filtru. Někdy jsou pro vysokou úroveň nelineárních zátěží vyžadovány aktivní i pasivní oba typy harmonických filtrů.