تصور کنید تجهیزات کارخانه ای پیچیده طراحی شده برای حداکثر کارایی، اما اغلب به دلیل یک تهدید نامرئی که در سیستم های برق پنهان شده است، شکست می خورند.این سناریو فرضی نیست بلکه یک چالش واقعی است که بسیاری از شرکت های صنعتی با آن روبرو هستندبا افزایش استانداردهای کیفیت برق و افزایش تقاضای تجهیزات با دقت بالا، انتخاب راه حل مناسب کاهش هارمونیک بسیار مهم است.این مقاله ویژگی های فنی را بررسی می کند، مزایا و محدودیت های فیلترهای هارمونیک فعال (AHF) در مقایسه با فیلترهای هارمونیک منفعل (PHF) ، تکمیل شده توسط مطالعات موردی در دنیای واقعی برای هدایت تصمیم گیری برای ساخت پایدار،سیستم های برق قابل اعتماد.
استفاده گسترده از دستگاه های الکترونیکی قدرت باعث افزایش قابل توجهی از آلودگی هارمونیک در شبکه های الکتریکی شده است. هارمونیک ها کیفیت قدرت را کاهش می دهند، باعث گرم شدن تجهیزات، کاهش بهره وری،فعال شدن نادرست دستگاه های محافظتی، و حتی ثبات کلی سیستم را تهدید می کند. در نتیجه، کاهش هارمونیک برای عملیات صنعتی مدرن ضروری شده است.انتخاب بهترین رویکرد یک چالش مهم برای شرکت ها است.
فیلترهای هارمونیک فعال از تکنولوژی الکترونیک قدرت استفاده می کنند تا به طور پویا با هارمونیک ها مقابله کنند.AHF ها جریانهای تعدیلی با اندازه مساوی اما فاز مخالف تولید می کنند، به طور موثر تحریف هارمونیک را خنثی می کند. این رویکرد فعال AHF را قادر می سازد تا با تغییرات بار سازگار شود و طیف گسترده ای از فرکانس های هارمونیک را سرکوب کند.از جمله وابستگی به منابع انرژی خارجی پایدار، از دست دادن انرژی ذاتی و کاهش عملکرد بالقوه در محیط های ولتاژ تحریف هارمونیک کل بالا (THDv).
عملکرد اصلی AHF ها در توانایی آنها برای تولید جریان تعویض فعال است.در حالی که مدارهای کنترل داخلی محاسبه تعویض مورد نیازسپس اینورترها قدرت DC را به جریان تعویض AC تبدیل می کنند و آنها را به شبکه تزریق می کنند تا هارمونیک ها را لغو کنند.این جبران پویا اجازه می دهد AHF ها در بار های مختلف و فرکانس های هارمونیک متعدد اثربخشی خود را حفظ کنند.
ویژگی های کلیدی AHF عبارتند از:
- تعویض دینامیک:تنظیم در زمان واقعی به تغییرات بار حفظ سرکوب هارمونیک ثابت.
- کاهش طیف گسترده:سرکوب همزمان فرکانس های هارمونیک متعدد
- قابل برنامه ریزی:پارامترها و توابع قابل تنظیم برای کاربردهای متنوع
- طراحی کامپکت:اثر کمتری در مقایسه با فیلترهای منفعل نصب را ساده می کند.
مزایا:
- عملکرد برتر در محیط هایی با نوسانات بار قابل توجهی
- کاهش جامع فرکانس های هارمونیک چندگانه
- پیکربندی انعطاف پذیر از طریق تنظیمات نرم افزار
- تاسیسات با استفاده از فضای مناسب
محدودیت ها:
- سرمایه گذاری اولیه بالاتر در مقایسه با راه حل های منفعل
- مصرف انرژی عملیاتی (معمولاً 3٪ در شرایط ایده آل، احتمالاً در محیط های سخت بیشتر)
- وابستگی به منبع برق پایدار برای عملکرد مناسب
- کاهش عملکرد در محیط های با THDv بالا (اغلب بیش از 10٪ THDv توصیه نمی شود)
- تولید بالقوه هارمونیک های ثانویه در طول کار
- اثربخشی محدود در برابر منابع هارمونیک پایین
AHF ها در موارد زیر برجسته هستند:
- تاسیسات با منابع هارمونیک متمرکز و بارهای متغیر (به عنوان مثال، مراکز داده، تولید دقیق)
- محیط هایی که نیاز به کیفیت قدرت استثنایی دارند (به عنوان مثال، ساخت نیمه هادی، امکانات پزشکی)
- تاسیسات انرژی تجدید پذیر متصل به شبکه که نیاز به انطباق سختگیرانه هارمونیک دارند
فیلترهای هارمونیک منفعل از اجزای منفعل (اندوکتورها، خازن ها، مقاومت ها) برای ایجاد مدارهای رزونانس استفاده می کنند که فرکانس های هارمونیک خاص را جذب می کنند. PHF ها سادگی، مقرون به صرفه بودن هزینه را ارائه می دهند.,با این حال، آنها نیاز به طراحی سفارشی برای بارهای خاص دارند و نسبت به راه حل های فعال، سازگاری کمتری با تغییرات بار نشان می دهند.
PHF ها از مدار های رزونانت LC استفاده می کنند که در فرکانس های هارمونیک هدف، مقاومت پایین را نشان می دهند و به طور موثر این اجزای را جذب می کنند.پیکربندی های معمولی شامل شاخه های رزونانس چندگانه برای هارمونیک های مختلف (e.به عنوان مثال، 5، 7، 11 و 13 هارمونیک).
ویژگی های اصلی PHF عبارتند از:
- جذب موثر فرکانس های هارمونیک خاص
- قابلیت اصلاح فاکتور قدرت یکپارچه
- ساخت ساده تر با هزینه های پایین تر
- عملکرد قابل اعتماد با حداقل نگهداری
مزایا:
- سرمایه گذاری اولیه کمتر
- قابلیت اطمینان اثبات شده با حداقل نگهداری
- بهبود همزمان فاکتور قدرت
- جذب هارمونیک موثر در جریان پایین
- ظرفیت ذخیره انرژی که نوسانات ولتاژ را ثبات می دهد
محدودیت ها:
- نیاز به طراحی سفارشی برای پروفایل های هارمونیک خاص
- حساسیت عملکرد به تغییرات بار
- اثر فیزیکی بزرگتر
- مشکلات احتمالی رزونانس در صورت طراحی نادرست
PHF ها در موارد زیر بهترین عملکرد را دارند:
- محیط هایی با منابع هارمونیک پایدار و بار ثابت (به عنوان مثال، درایوهای فرکانس متغیر بزرگ، تنظیم کننده ها)
- برنامه های کاربردی که نیاز به کاهش هارمونیک و تصحیح فاکتور قدرت دارند
- تاسیسات حساس به هزینه
یک کارخانه خودرو با تجهیزات گرمایشی کنترل شده توسط تایریستور در ابتدا AHF ها را با STATCOM برای کاهش هارمونیک و جبران قدرت واکنشی مستقر کرد.تولید هارمونیک های اضافی که باعث عدم تعادل ولتاژ و سفر تجهیزات می شودپس از تغییر به PHF ها، این تاسیسات با موفقیت مشکلات هماهنگی را حل کرد و کارایی تولید را بهبود بخشید.
یک کارخانه بسته بندی کالاهای مصرفی با استفاده از تجهیزات درایو فرکانس متغیر AHF ها را نصب کرد اما همچنان دچار خرابی های مکرر درایو و قطعات الکترونیکی بود.تجزیه و تحلیل نشان داد که AHF ها در هنگام کار با ماشین آلات بسته بندی مستقل شرایط رزونانس ایجاد می کنندتنها زمانی که بارهای خطی ( موتورهای تحرک ثابت سرعت) معرفی شدند، AHF ها به درستی کار می کردند.
انتخاب بین AHF و PHF نیاز به بررسی دقیق دارد:
- ویژگی های منبع هارمونیک (نوع، فرکانس، شدت)
- مشخصات بار (تغییر پذیری، الزامات کیفیت قدرت)
- پارامترهای شبکه (انپیدانس، سطح ولتاژ، ظرفیت شارژ)
- محدودیت های بودجه (هزینه های اولیه و عملیاتی)
- در دسترس بودن فضای فیزیکی
به طور کلی، PHF ها برای محیط های هارمونیک پایدار با بار ثابت مناسب هستند، در حالی که AHF ها بهتر برای برنامه های کاربردی با منابع هارمونیک متمرکز و تغییرات بار قابل توجهی استفاده می کنند.در سناریوهای انحراف هارمونیک بالا، PHF ها اغلب قابل اطمینان تر هستند. راه حل های ترکیبی که هر دو فناوری را ترکیب می کنند می توانند از نقاط قوت مربوطه خود برای عملکرد بهینه استفاده کنند.
کاهش هارمونیک موثر همچنان برای تضمین کیفیت برق و قابلیت اطمینان سیستم بسیار مهم است. هر دو AHF و PHF مزایای متمایزی را برای زمینه های عملیاتی مختلف ارائه می دهند.شرکت ها باید نیازهای خاص خود را به طور کامل ارزیابی کنند تا مناسب ترین راه حل را اجرا کنندمدیریت هماهنگ مناسب باعث افزایش عملکرد تجهیزات، کاهش اتلاف انرژی و در نهایت بهبود بهره وری تولید می شود.
پیشرفت های آینده در الکترونیک قدرت، از جمله دستگاه های نیمه هادی باند گپ گسترده و الگوریتم های کنترل هوشمند، فناوری های پیشرفته تر کاهش هارمونیک را قول می دهند.این نوآوری ها گزینه های اضافی را برای ساخت و ساز هوشمندتر فراهم می کنند، سیستم های برق کارآمدتر.