فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی چیست و چه کاربردی دارد؟

فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی، همانطور که از اسمش پیداست  به مانند یک نگهبان وظیفه بلوک کردن هارمونیک های 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، خازن هايي با تلفات بسيار اندك در حجم هاي 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 باجنبه هاي پيچيده اين موضوع وجود دارد.

به دليل افزايش اعوجاجهاي هارمونيكي درشبكه هاي فشار ضعيف و متوسط ، طراحي بانكهاي خازني بسيار مشكل و پيچيده شده اند. يكسو سازها، كنترلرهاي الكترونيكي موتورها، مبدلهاي فركانس و ديگر بار هاي الكترونيكي براي جبران توان راكتيو مصرفي، نياز به خازن دارند و در عين حال اين مصرف كنندگان مولد هارمونيك هستند. در صورت نزديك بودن فركانس رزونانس مجموعه ترانس و خازن به فرکانس هارمونیک، امكان وقوع خطر بسيار محتمل است.

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

هارمونيك چيست؟

در شبكه هاي 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 (جمله هاي سري فوريه) با فركانسي برابر مضرب صحيحي از فركانس پايه (فركانس شبكه) هارمونيك ناميده مي شود.

۵% دامنه هارمونيك پنجم

۴% دامنه هارمونيك هفتم

۲٫۵% دامنه هارمونيك يازدهم

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

هارمونيك ها كجا به وجود مي آيند؟

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

در تمامي ساختمانهاي مسكوني و تجاري : تمامي تلويزيونها ، كامپيوترها، لامپ هاي كم مصرف مولد هارمونيك هستند.

در ادامه مبحث فیلتر حذف هارمونیک بانک خازنی خواهیم داشت :

هارمونيك ها تا قبل از نصب خازن

دامنه و تنوع هارمونيكها 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 باشد هارمونيك پنجم با دامنه ۴% و هارمونيك هفتم با دامنه ۳% در شبكه وجود خواهد داشت.

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

به عنوان مثال اگر مبدل تريستوري با توان كلي ۲۵% توان نامي ترانس در شبكه نصب شوند هارمونیک ها 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 دامنه هارمونیک ها

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

طراحي بانك خازني براي شبكه هارمونيكي

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

– اندازه گيري هارمونيكهاي 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 دامنه هارمونيك 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 است هارمونيك پنجم سه برابر مي شود و در ظرفيت ۲۵۰ کیلووار هارمونيك هفتم ۴ برابر مي شود.

اگر هارمونيكهاي 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 ولتاژ هارمونيكي از ميزان تعيين شده در استانداردها فراتر رود فقط در صورتي كه بدون جبران سازي:

– دامنه هارمونيك مرتبه ۵ بيش از ۲% يا

– دامنه هارمونيك 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 حذف هارمونیک بانک خازنی

اگر میزان فرکانس رزونانس و فرکانس یکی از مولفه های هارمونیکی با هم برابر شوند، در شبکه رزونانس اتفاق می افتد. در واقع مقدار موثر ولتاژ شبکه در زمان رزونانس تغییر بسیار ناچیزی می کند در حالی که جریان موثر بانک خازنی شدیداً افزایش می یابد.

پر واضح است که برای جلوگیری از چنین پدیده ای در بانک های خازنی که موجب آسیب به خازن ها و دیگر تجهیزات می شود، استفاده از فیلترهای هارمونیکی اجتناب ناپذیر است. به طور کلی فیلترها به دو دسته تقسیم بندی می شوند:

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 می کنیم. فیلترهای پسیو با توجه به نوع عملکرد آنها به دو دسته tuned و detuned  تقسیم بندی می شوند. در مواقعی که ضریب قدرت شبکه پایین بوده و نیاز به خازن گذاری می باشد، 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 اینکه هارمونیک غالب شبکه مرتبه  سوم یا پنجم باشد به یکی از دو دسته فیلترهای P=14% و P=7% نیازمندیم. فیلترهای ۷% برای حذف هارمونیک پنجم به بالا و ۱۴% برای هارمونیک سوم به بالا مناسب می باشند و بالطبع قیمت آنها هم حدوداً دو برابر فیلتر ۷% می باشد.

در مواقعی که هدف حذف هارمونیک شبکه یا کاهش هارمونیک 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 نمی باشد 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 کوره های قوس الکتریکی).

همانطور که گفتیم دسته دیگر فیلترها، فیلترهای اکتیو می باشند که می توانند جریانی هم اندازه ولی در جهت مخالف هارمونیک های 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 می باشد تا هم ضریب قدرت شبکه تصحیح شود و با جابجایی فرکانس رزونانس احتمال بروز پدیده رزونانس نیز کاهش یابد و با تزریق جریان ضد هارمونیکی 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 خازن ها بخوانید:

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