فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی چیست و چه کاربردی دارد؟

فیلتر حذف‌هارمونیک بانک خازنی، همانطور که از اسمش پیداست  به مانند یک نگهبان وظیفه بلوک کردن‌هارمونیک‌های مختلف را در برابر ورود به خازن دارند . جبران سازی توان راکتیو یکی از ابزار بهینه سازی هزینه انرژی و برگشت سریع سرمایه است. در طول چند سال گذشته با بهره گیری از مواد جدید و روشهای تولید پیشرفته، خازن‌هایی با تلفات بسیار اندک در حجم‌های کوچک ساخته شده است. با توسـعه وتولیـد کنتاکتورهای خازنی و رگولاتورهای میکـروپرسسوری بسیار پیشـرفته که تضمین کننده رفتار مناسب و بهینه بانک خازنی به تغییرات بار است، بانکهای خازنی کاملا قابل اعتماد گردیده اند.

با این وجود دلیل بسیاری بر لزوم آشنایی مشاوران و مصرف کنندگان باجنبه‌های پیچیده این موضوع وجود دارد.

به دلیل افزایش اعوجاجهای‌هارمونیکی درشبکه‌های فشار ضعیف و متوسط ، طراحی بانکهای خازنی بسیار مشکل و پیچیده شده اند. یکسو سازها، کنترلرهای الکترونیکی موتورها، مبدلهای فرکانس و دیگر بار‌های الکترونیکی برای جبران توان راکتیو مصرفی، نیاز به خازن دارند و در عین حال این مصرف کنندگان مولد‌هارمونیک هستند. در صورت نزدیک بودن فرکانس رزونانس مجموعه ترانس و خازن به فرکانس‌هارمونیک، امکان وقوع خطر بسیار محتمل است.

بنابراین به منظور اجتناب از مسائل و هزینه‌های بعدی شدیدا پیشنهاد می گردد تا افراد با تجربه برای دستیابی به طرحی مناسب مورد مشاوره قرار گیرند.
  

هارمونیک چیست؟

در شبکه‌های فشار ضعیف کنونی شاهد رشد روز افزون مصرف کنندگانی هستیم که جریان غیر سینوسی از شبکه می کشند. عبور این جریان غیر سینوسی از امپدانس شبکه افت ولتاژی را ایجاد می نماید که باعث اعوجاج ولتاژ سینوسی شبکه می شود. این اعوجاجها را می توان به سری فورید بسط داد، تمامی موجها (جمله‌های سری فوریه) با فرکانسی برابر مضرب صحیحی از فرکانس پایه (فرکانس شبکه)‌هارمونیک نامیده می شود.

۵% دامنه‌هارمونیک پنجم

۴% دامنه‌هارمونیک هفتم

۲٫۵% دامنه‌هارمونیک یازدهم

بارهای صنعتی، تنها مولدین‌هارمونیک نیستند بلکه مصارف خانگی نیز اثر قابل توجه ای دارند. معمولا بارهای غیر خطی مولد‌هارمونیکهای فرد هستند و در شبکه غالبا با‌هارمونیکهای مرتبه سوم، پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم مواجه هستیم.

هارمونیک‌ها کجا به وجود می آیند؟

در شبکه فشار ضعیف صنعتی، بویژه هنگامی که تغییر دهنده‌های سرعت موتورهای القایی نصب شده باشند.

در تمامی ساختمانهای مسکونی و تجاری : تمامی تلویزیونها ، کامپیوترها، لامپ‌های کم مصرف مولد‌هارمونیک هستند.

در ادامه مبحث فیلتر حذف‌هارمونیک بانک خازنی خواهیم داشت :

هارمونیک‌ها تا قبل از نصب خازن

دامنه و تنوع‌هارمونیکها بستگی به تعدد بارهای غیر خطی نصب شده در شبکه دارد. به عنوان مثال:

اگر مبدل ۶ پالسه تریستوری با قدرت ۵۰% قدرت ترانس در شبکه ای نصب شده باشد‌هارمونیک پنجم با دامنه ۴% و‌هارمونیک هفتم با دامنه ۳% در شبکه وجود خواهد داشت.

اگر تعداد زیادی مبدل تریستوری در شبکه نصب شوند به دلیل اختلاف فاز جریانهای آنها، اثر‌هارمونیکهای مبدل کمتر میشود.

به عنوان مثال اگر مبدل تریستوری با توان کلی ۲۵% توان نامی ترانس در شبکه نصب شوند‌هارمونیک‌ها تقریبا به صورت زیرند:

هارمونیک پنجم با دامنه ۱% الی ۱٫۵۱% دامنه موج اصلی

هارمونیک هفتم با دامنه ۰٫۷% الی ۱% دامنه موج اصلی


اثر بانک خازنی بر دامنه‌هارمونیک ها

یک بانک خازنی بدون فیلتر همراه با اندوکتانس‌های شبکه تشکیل مدار رزونانسی می دهد. و در صورت حضور‌هارمونیک با فرکانس نزدیک به فرکانس رزونانس، اضافه ولتاژ و جریانهای رزونانسی رخ می دهد.

طراحی بانک خازنی برای شبکه‌هارمونیکی

ترکیبی از اطلاعات زیر در طراحی بانک مفید واقع می گردند.

– اندازه گیری‌هارمونیکهای ولتاژ و جریان در طی چند روز بدون حضور هیچ گونه خازنی چه در سمت فشار ضعیف و چه سمت فشار قوی

– محاسبه تئوری فرکانس رزونانس

– حداکثر مقدار دامنه‌هارمونیک اندازه گیری شده، در ضریب تقویت بدست آمده از تحلیل کننده شبکه ضرب می گردد.

برای مثال :  در یک شبکه فشار ضعیف، متوسط با ترانس ۱۰۰۰ کیلو وات آمپر هنگامی که بانک خازنی کامل (۴۰۰ کیلو وات) در مدار است‌هارمونیک پنجم سه برابر می شود و در ظرفیت ۲۵۰ کیلووار‌هارمونیک هفتم ۴ برابر می شود.

اگر‌هارمونیکهای زیر در شبکه فشار متوسط حضور داشته باشند:

۴%     ‌هارمونیک مرتبه ۳                 (۱۵۰ هرتز)

۵%     ‌هارمونیک مرتبه ۵                 (۲۵۰ هرتز)

۴%     ‌هارمونیک مرتبه ۷                 (۳۵۰ هرتز)

۳%     ‌هارمونیک مرتبه ۱۱               (۵۵۰ هرتز)

۲٫۱%   ‌هارمونیک مرتبه ۱۳               (۶۵۰ هرتز)

دراین مثال می پذیریم که دامنه ولتاژ‌هارمونیکی از میزان تعیین شده در استانداردها فراتر رود فقط در صورتی که بدون جبران سازی:

– دامنه‌هارمونیک مرتبه ۵ بیش از ۲% یا

– دامنه‌هارمونیک مرتبه ۷ و بالاتر بیش از ۱% باشد

در چنین شرایطی قویا توصیه می گردد از بانک خازنی مجهز به سلف استفاده شود.

موارد زیر باید در انتخاب بانک خازنی مد نظر قرار گیرند:

– بانکهای خازنی مجهز به فیلتر نباید همراه با بانکهای خازنی بدون فیلتر در یک شبکه فشار ضعیف مشترک استفاده شوند.

– بانکهای خازنی مجهز به فیلتر با فرکانسهای رزونانس متفاوت را بصورت موازی می توان نصب کرد .در این شرایط احتمال تحت اضافه بار قرار گرفتن بانک با فرکانس رزونانس بالاتر وجود دارد.


انواع فیلتر حذف‌هارمونیک بانک خازنی

اگر میزان فرکانس رزونانس و فرکانس یکی از مولفه‌های‌هارمونیکی با هم برابر شوند، در شبکه رزونانس اتفاق می‌افتد. در واقع مقدار موثر ولتاژ شبکه در زمان رزونانس تغییر بسیار ناچیزی می‌کند در حالی که جریان موثر بانک خازنی شدیداً افزایش می‌یابد.

پر واضح است که برای جلوگیری از چنین پدیده ای در بانک‌های خازنی که موجب آسیب به خازن‌ها و دیگر تجهیزات می‌شود، استفاده از فیلترهای‌هارمونیکی اجتناب ناپذیر است. به طور کلی فیلترها به دو دسته تقسیم بندی می‌شوند:

فیلتر اکتیو

فیلتر پسیو

به دلیل قیمت پایین تر فیلتر پسیو نسبت به فیلتر اکتیو، در اکثر مواقع که مجبور به استفاده از فیلتر اکتیو نیستیم از فیلترهای پسیو استفاده می‌کنیم. فیلترهای پسیو با توجه به نوع عملکرد آنها به دو دسته tuned و detuned  تقسیم بندی می‌شوند. در مواقعی که ضریب قدرت شبکه پایین بوده و نیاز به خازن گذاری می‌باشد، برای جلوگیری از بروز رزونانس در شبکه در اثر ورود خازن و کاهش دادن فرکانس رزونانس جهت عدم انطباق فرکانس رزونانس خازن با فرکانس ‌هارمونیک غالب شبکه، مجبوریم از فیلترهای detuned استفاده کنیم. بسته به اینکه‌هارمونیک غالب شبکه مرتبه  سوم یا پنجم باشد به یکی از دو دسته فیلترهای P=14% و P=7% نیازمندیم. فیلترهای ۷% برای حذف‌هارمونیک پنجم به بالا و ۱۴% برای‌هارمونیک سوم به بالا مناسب می‌باشند و بالطبع قیمت آنها هم حدوداً دو برابر فیلتر ۷% می‌باشد.

در مواقعی که هدف حذف‌هارمونیک شبکه یا کاهش‌هارمونیک جریان در نقاط اتصال بارهای غیر خطی یا نقاط dedicated به زیر حد مجاز می­باشد و بخواهیم این منظور را با استفاده از فیلتر پسیو به انجام برسانیم، نیاز به فیلتر­های tuned  داریم،  فرکانس رزونانس فیلترهای فوق ­الذکر از بار شبکه و مشخصات فیدرهای بالا دست تاثیر پذیر است. و استفاده از این فیلترها به صورت سوییچینگ سریع خالی از خطا نمی‌باشد و امکان اشباع فیلتر و آسیب کل سیستم را به دنبال دارد.  بنابرابن در زمانی که بار به شدت متغیر است استفاده ار فیلتر Tuned به علاوه راکتور سوییچ شونده TCR پیشنهاد می­شود که دراین حال نیز باید کلیت بار یکپارچه باشد ( مانند کوره‌های قوس الکتریکی).

همانطور که گفتیم دسته دیگر فیلترها، فیلترهای اکتیو می‌باشند که می‌توانند جریانی هم اندازه ولی در جهت مخالف‌هارمونیک‌های موجود، به مدار اعمال کنند. به این صورت که مثلاً در جایی که ضریب قدرت شبکه نامطلوب است و THD جریان شبکه نیز بالا باشد راه حل استفاده همزمان از فیلتر اکتیو و فیلترهای Detuned  در بانک خازنی می‌باشد تا هم ضریب قدرت شبکه تصحیح شود و با جابجایی فرکانس رزونانس احتمال بروز پدیده رزونانس نیز کاهش یابد و با تزریق جریان ضد‌هارمونیکی به مدار، میزان THD نیز کاهش یابد و از مضرات آن جلوگیری شود.  فیلترهای فوق الذکرمعایب فیلترهای tuned را نداشته و فرکانس و پارامترهای آن از شبکه تاثیر پذیر نیست.

همچنین در مورد خازن‌ها بخوانید:

خازن چیست؟ نگاهی به تاریخچه و تعاریف خازن که هر مهندسی باید بداند