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 سازي توان راكتيو يكي از ابزار بهينه سازي هزينه انرژي و برگشت سريع سرمايه است. در طول چند سال گذشته با بهره گيري از مواد جديد و روشهاي توليد پيشرفته، خازن‌هايي با تلفات بسيار اندك در حجم‌هاي كوچك ساخته شده است. با توسـعه وتوليـد كنتاكتورهاي خازني و رگولاتورهاي ميكـروپرسسوري بسيار پيشـرفته كه تضمين كننده رفتار مناسب و بهينه بانك خازني به تغييرات بار است، بانكهاي خازني كاملا قابل اعتماد گرديده اند.

با اين وجود دليل بسياري بر لزوم آشنايي مشاوران و مصرف كنندگان باجنبه‌هاي پيچيده اين موضوع وجود دارد.

به دليل افزايش اعوجاجهاي‌هارمونيكي درشبكه‌هاي فشار ضعيف و متوسط ، طراحي بانكهاي خازني بسيار مشكل و پيچيده شده اند. يكسو سازها، كنترلرهاي الكترونيكي موتورها، مبدلهاي فركانس و ديگر بار‌هاي الكترونيكي براي جبران توان راكتيو مصرفي، نياز به خازن دارند و در عين حال اين مصرف كنندگان مولد‌هارمونيك هستند. در صورت نزديك بودن فركانس رزونانس مجموعه ترانس و خازن به فرکانس‌هارمونیک، امكان وقوع خطر بسيار محتمل است.

بنابراين به منظور اجتناب از مسائل و هزينه‌هاي بعدي شدیدا پيشنهاد مي گردد تا افراد با تجربه براي دستيابي به طرحي مناسب مورد مشاوره قرار گيرند.
  

هارمونيك چيست؟

در شبكه‌هاي فشار ضعيف كنوني شاهد رشد روز افزون مصرف كنندگاني هستيم كه جريان غير سينوسي از شبكه مي كشند. عبور اين جريان غير سينوسي از امپدانس شبكه افت ولتاژي را ايجاد مي نمايد كه باعث اعوجاج ولتاژ سينوسي شبكه مي شود. اين اعوجاجها را مي توان به سري فوريد بسط داد، تمامي موجها (جمله‌هاي سري فوريه) با فركانسي برابر مضرب صحيحي از فركانس پايه (فركانس شبكه)‌هارمونيك ناميده مي شود.

۵% دامنه‌هارمونيك پنجم

۴% دامنه‌هارمونيك هفتم

۲٫۵% دامنه‌هارمونيك يازدهم

بارهاي صنعتي، تنها مولدين‌هارمونيك نيستند بلكه مصارف خانگي نيز اثر قابل توجه ای دارند. معمولا بارهاي غير خطي مولد‌هارمونيكهاي فرد هستند و در شبكه غالبا با‌هارمونيكهاي مرتبه سوم، پنجم، هفتم، يازدهم و سيزدهم مواجه هستيم.

هارمونيك‌ها كجا به وجود مي آيند؟

در شبكه فشار ضعيف صنعتي، بويژه هنگامي كه تغيير دهنده‌هاي سرعت موتورهاي القايي نصب شده باشند.

در تمامي ساختمانهاي مسكوني و تجاري : تمامي تلويزيونها ، كامپيوترها، لامپ‌هاي كم مصرف مولد‌هارمونيك هستند.

در ادامه مبحث فیلتر حذف‌هارمونیک بانک خازنی خواهیم داشت :

هارمونيك‌ها تا قبل از نصب خازن

دامنه و تنوع‌هارمونيكها بستگي به تعدد بارهاي غير خطي نصب شده در شبكه دارد. به عنوان مثال:

اگر مبدل ۶ پالسه تريستوري با قدرت ۵۰% قدرت ترانس در شبكه اي نصب شده باشد‌هارمونيك پنجم با دامنه ۴% و‌هارمونيك هفتم با دامنه ۳% در شبكه وجود خواهد داشت.

اگر تعداد زيادي مبدل تريستوري در شبكه نصب شوند به دليل اختلاف فاز جريانهاي آنها، اثر‌هارمونيكهاي مبدل كمتر ميشود.

به عنوان مثال اگر مبدل تريستوري با توان كلي ۲۵% توان نامي ترانس در شبكه نصب شوند‌هارمونیک‌ها تقريبا به صورت زيرند:

هارمونيك پنجم با دامنه ۱% الي ۱٫۵۱% دامنه موج اصلي

هارمونيك هفتم با دامنه ۰٫۷% الي ۱% دامنه موج اصلي


اثر بانك خازني بر دامنه‌هارمونیک ها

يك بانك خازني بدون فيلتر همراه با اندوكتانس‌هاي شبكه تشكيل مدار رزونانسي مي دهد. و در صورت حضور‌هارمونيك با فركانس نزديك به فركانس رزونانس، اضافه ولتاژ و جريانهاي رزونانسي رخ مي دهد.

طراحي بانك خازني براي شبكه‌هارمونيكي

تركيبي از اطلاعات زير در طراحي بانك مفيد واقع مي گردند.

– اندازه گيري‌هارمونيكهاي ولتاژ و جريان در طي چند روز بدون حضور هيچ گونه خازني چه در سمت فشار ضعيف و چه سمت فشار قوي

– محاسبه تئوري فركانس رزونانس

– حداكثر مقدار دامنه‌هارمونيك اندازه گيري شده، در ضريب تقويت بدست آمده از تحليل كننده شبكه ضرب مي گردد.

برای مثال :  در يك شبكه فشار ضعيف، متوسط با ترانس ۱۰۰۰ کیلو وات آمپر هنگامي كه بانك خازني كامل (۴۰۰ کیلو وات) در مدار است‌هارمونيك پنجم سه برابر مي شود و در ظرفيت ۲۵۰ کیلووار‌هارمونيك هفتم ۴ برابر مي شود.

اگر‌هارمونيكهاي زير در شبكه فشار متوسط حضور داشته باشند:

۴%     ‌هارمونيك مرتبه ۳                 (۱۵۰ هرتز)

۵%     ‌هارمونيك مرتبه ۵                 (۲۵۰ هرتز)

۴%     ‌هارمونيك مرتبه ۷                 (۳۵۰ هرتز)

۳%     ‌هارمونيك مرتبه ۱۱               (۵۵۰ هرتز)

۲٫۱%   ‌هارمونيك مرتبه ۱۳               (۶۵۰ هرتز)

دراين مثال مي پذيريم كه دامنه ولتاژ‌هارمونيكي از ميزان تعيين شده در استانداردها فراتر رود فقط در صورتي كه بدون جبران سازي:

– دامنه‌هارمونيك مرتبه ۵ بيش از ۲% يا

– دامنه‌هارمونيك مرتبه ۷ و بالاتر بيش از ۱% باشد

در چنين شرايطي قويا توصيه مي گردد از بانك خازني مجهز به سلف استفاده شود.

موارد زير بايد در انتخاب بانك خازني مد نظر قرار گيرند:

– بانكهاي خازني مجهز به فيلتر نبايد همراه با بانكهاي خازني بدون فيلتر در يك شبكه فشار ضعيف مشترك استفاده شوند.

– بانكهاي خازني مجهز به فيلتر با فركانسهاي رزونانس متفاوت را بصورت موازي مي توان نصب كرد .در اين شرايط احتمال تحت اضافه بار قرار گرفتن بانك با فركانس 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