- Что такое гармоники в электрической системе?
- Почему необходимо устранять гармоники в энергосистеме?
- Тип фильтров гармоник
- Пассивные фильтры гармоник
- Активные фильтры гармоник
- Как выбрать фильтры гармоник
Что такое гармоники в электрической системе?
В энергосистемах гармоники определяются как положительные целые числа, кратные основной частоте. Гармоника - это напряжение или ток, кратные основной частоте. Это часто рассматривается как шум в линии электропередачи.
Гармоники в энергосистеме можно разделить на два типа: гармоники тока и гармоники напряжения.
В гармоники тока, вызванные нелинейной нагрузки, такие как ПРС (приводы с переменной скоростью). Нелинейные нагрузки потребляют ток из линии питания, форма волны которого не является идеальной синусоидальной. Несинусоидальная форма волны тока может представлять собой сложную последовательность простых синусоидальных колебаний, которые могут колебаться с целым числом, кратным основной частоте линии электропередачи.
В большинстве случаев гармоники напряжения вызваны гармониками тока. Гармоника напряжения возникает из-за искаженного напряжения, вызванного воздействием гармоник тока с импедансом источника.
На изображении выше показана форма волны тока бедствия в нелинейной нагрузке. Здесь искаженная форма волны тока не следует за синусоидальной волной. Это показывает гармоники тока в энергосистеме.
Почему необходимо устранять гармоники в энергосистеме?
Гармоники тока и напряжения прямо пропорциональны шуму, передаваемому нагрузке. За гармоники в энергосистеме отвечает разное бытовое и офисное оборудование. Гармоники энергосистемы часто увеличивают ток нагрузки. Различные инструменты, такие как флуоресцентные лампы на заводах, в доме или офисе, подвержены влиянию гармоник и имеют различные неисправности. На двигатели сильно влияют гармоники энергосистемы.
Иногда гармоники в энергосистемах могут быть очень опасными и увеличивать мощность, подаваемую на приборы, что приводит к повышению температуры нагрузки и может сократить срок службы прибора.
Чтобы преодолеть эти гармоники энергосистемы, необходимо реконструировать силовое подключение для управления нелинейными нагрузками и ввести фильтры гармоник в энергосистему.
Тип фильтров гармоник
Фильтры гармоник очень эффективны для защиты дорогостоящего электрического оборудования от искажений выходной мощности из-за гармоник. На рынке электротехники и электроники доступны различные типы фильтров гармоник в зависимости от номинальной мощности, приложенного напряжения, однофазного или трехфазного и других параметров, зависящих от нагрузки.
Однако существует два основных типа фильтров гармоник: пассивные фильтры гармоник и активные фильтры гармоник.
Основное различие между этими двумя типами фильтров гармоник заключается в компонентах, используемых в конструкции фильтра. В пассивных фильтрах гармоник используются простые пассивные компоненты, в основном резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. В то время как в активных фильтрах гармоник используются активные компоненты, такие как различные типы BJT, IGBT, MOSFET и интегральные схемы.
Поскольку фильтры гармоник являются оборудованием для обеспечения безопасности электрических линий, они должны соответствовать международным стандартам безопасности, таким как IEEE, EN, AS, BS, а также знаком UL лабораторий страховщика.
Также фильтры гармоник могут быть выполнены в разном порядке. Фильтры гармоник третьего порядка могут отфильтровывать частоту, которая является третьей кратной основной частоты.
Пассивные фильтры гармоник
Пассивные фильтры гармоник являются наиболее распространенными и легко доступными фильтрами гармоник. Это доступный фильтр для подавления гармонических помех в линии электропередачи.
Как обсуждалось ранее, в пассивных фильтрах гармоник используются стандартные пассивные компоненты, такие как резисторы, индуктивности и конденсаторы. Эти пассивные компоненты используются для формирования цепи резервуара. Контур резервуара спроектирован особым образом, чтобы он мог работать на той же резонансной частоте по отношению к нежелательным гармоникам. Пассивные фильтры гармоник блокируют прохождение нежелательных гармоник. Пассивный фильтр гармоник преобразует гармонический ток в тепло и защищает оконечное устройство или нагрузку. Фильтр можно настроить на определенную частоту, которая должна быть устранена как гармоники.
В основном используются четыре типа пассивных фильтров гармоник:
1. Фильтр высоких частот
2. Полосовой фильтр
3. Фильтр типа C и
4. Серийный фильтр.
Фильтр высоких частот
Пассивные фильтры высших гармоник используются для устранения гармоник более высокого порядка и для гибкого управления широким диапазоном частот. В базовой конструкции фильтра гармоник верхних частот используются три пассивных компонента: резистор, конденсатор и индуктор.
На изображении выше мы видим базовую конструкцию пассивного фильтра гармоник верхних частот. Конструкция показывает, что резистор и катушка индуктивности подключены параллельно конденсатору. Фильтр обеспечивает плоские характеристики импеданса в высокочастотном диапазоне. Высокая частота снижает потери мощности.
Этот тип фильтров используется в основном для фильтрации 5 - й / 6 - й или более высокий ток порядка. Часто различные фильтры комбинируются с фильтрами гармоник верхних частот для устранения потерь мощности при использовании в низкочастотных или низкочастотных приложениях.
Кривая импеданса с частотой может быть показана на изображении ниже.
Полосовой фильтр
Полосовой фильтр гармоник - это фильтр с двойной настройкой. Гармонический полосовой фильтр состоит из двух конденсаторов, два индукторов, и один резистора. Он также используется для фильтрации гармоник высокого порядка. Этот фильтр работает с объединением параллельного резонанса стандартного полосового фильтра вместе с последовательным резонансом катушки индуктивности и конденсатора.
На изображении выше показана основная схема полосового фильтра. Схема фильтра состоит из двух частей: в первой части последовательно соединены конденсатор C2 и катушка индуктивности L2, а во второй части - резистор, катушка индуктивности и конденсатор, подключенные параллельно. Первая часть и вторая часть также соединены последовательно.
Характеристики импеданса с частотой могут быть показаны на графике ниже.
Фильтр типа C
Фильтр типа C используется для нижнего порядка, например, для фильтрации гармоник второго или третьего порядка. Фильтры типа C имеют меньшие потери, чем эквивалентный полосовой или последовательный фильтр.
Фильтры типа C состоят из 4 пассивных компонентов - двух конденсаторов, катушки индуктивности и одного резистора.
На изображении выше показана базовая конструкция фильтра c-типа. Конденсатор соединен последовательно с индуктором, который снова подключен параллельно резистору. Трехкомпонентное параллельное соединение снова подключается последовательно со вторым конденсатором.
Резистор подавляет основной ток, создаваемый колеблющимся индуктором и конденсатором.
Кривая импеданса показана на рисунке ниже.
Фильтр серий
Последовательный фильтр называется пассивным фильтром-подавителем гармоник с одной настройкой. Этот фильтр имеет самые простые конструктивные свойства. Всего три пассивных компонента - один конденсатор, индуктор и резистор - используются последовательно. Этот фильтр устраняет одиночную частоту.
Конструкция этого фильтра может быть показана на изображении ниже, где 3 пассивных компонента соединены последовательно, чтобы сформировать один настроенный последовательный фильтр гармоник.
Характеристика импеданса показана на изображении ниже -
Активные фильтры гармоник
Как обсуждалось ранее, пассивные фильтры гармоник хороши для устранения гармоник, связанных с линией питания. Однако конструкция пассивного фильтра подавления гармоник действительно сложна, и разработчик должен спроектировать пассивные фильтры подавления гармоник в соответствии с требованиями к реактивной мощности нагрузки. В таком случае конструкция пассивного фильтра очень сложна, и это приводит к снижению коэффициента мощности при определенных условиях нагрузки.
В этом случае активные фильтры лучше справляются с гармониками в линии питания без зависимости реактивной мощности от основной частоты.
В активных фильтрах гармоник используется отличный метод, при котором фильтр использует гармонические составляющие собственного производства и вводит их в линию электропередачи, которая подавляет нежелательные гармоники.
Доступны различные типы активных фильтров, которые используют разные топологии для устранения гармоник в линии питания.
Наиболее распространенная конструкция активных фильтров гармоник использует следующие основные вещи, такие как
1. инвертор источника напряжения с использованием различных переключателей мощности
2. отбор проб и контрольный образец от линии электропередачи
3. Система ШИМ, которая вводит в систему пусковой импульс ШИМ в виде гармоник.
В фильтре активных гармоник используются полупроводниковые переключатели другого типа, для работы которых требуется питание.
Как выбрать фильтры гармоник
Определить идеальный фильтр гармоник довольно сложно. Необходимо определить частоту гармоник, на которую необходимо настроить фильтры. В некоторых случаях операция фильтра не может служить цели только из-за неправильной настройки на определенной основной частоте, где отсутствуют гармоники.
Первым важным шагом является определение порядка гармоник и в зависимости от порядка гармоники потребность фильтра должны быть выбраны. Для устранения одночастотных гармонических искажений эффективны последовательные фильтры гармоник, но в некоторых случаях необходимо использовать фильтры гармоник с двойной настройкой.
Эти потери через фильтры также должны быть компенсированы, которые в значительной степени зависят от выбора фильтра. Иногда для высокого уровня нелинейных нагрузок требуются активные и пассивные фильтры гармоник обоих типов.